Membrantechnik für die Abwasserreinigung · 1.3.2 Morphologie, Struktur und Herstellung 34 1.4 Membranformen und -module 36 1.5 Anordnung von Modulen 44 1.6 Betriebsarten 46 1.7

Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen

Membrantechnik für die Abwasserreinigung

Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen


Membrantechnik fŸr die Abwasserreinigung

Herausgegeben von:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp

Institut fŸr Siedlungswasserwirtschaft

der Rheinisch-WestfŠlischen Technischen

Hochschule Aachen (ISA, RWTH Aachen)

Dr. rer. nat. Harald Friedrich

Abteilungsleiter

Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft

Ministerium fŸr Umwelt und Naturschutz,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz des

Landes Nordrhein-Westfalen

Herausgegeben von:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp

Institut für Siedlungswasserwirtschaft

der Rheinisch-Westfälischen Technischen

Hochschule Aachen (ISA, RWTH Aachen)


Abteilungsleiter


Ministerium für Umwelt und Naturschutz,




Band 1

Membrantechnik für die Abwasserreinigung

Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen

Vorwort

4

Vorwort

Die Membrantechnik zur Aufbereitung von Wasser und

Abwasser zeigt eindrucksvoll, wie innovativ, zukunfts-

orientiert und ökonomisch sinnvoll Umweltschutztechnik

sein kann. In der 100-jährigen Geschichte der modernen

Wasser- und Abwasseraufbereitung für Privathaushalte

und Unternehmen wurde noch keine neue Technik ein-

geführt, die solch vielfältig positive Effekte hat wie die

der Membrantechnik.

Sie löst unterschiedliche Fragen der Wasseraufbereitung

und führt gleichzeitig zu einer deutlich besseren Reinigung

des Abwassers.

Die Membrantechnik macht die betriebsinterne Rückge-

winnung und Wiederverwertung fester und gelöster Stoffe

möglich.

Wegen der großen Auswahl an verfügbaren Membranen

und Modulen lässt sich für fast jede Aufgabenstellung in

der Wasseraufbereitung ein technisch geeignetes System

finden.

An der Entwicklung und Anwendung der Membrantechnik

haben sich im In- und Ausland viele wissenschaftliche

Institutionen, Industrieunternehmen sowie Wasserver-

sorger und Abwasserverbände beteiligt. Die Bundes- und

Landesregierungen unterstützen diese technische Entwick-

lung.

Heute ist die Membrantechnik in Deutschland bereits für

viele Bereiche eine erprobte Alternative zu klassischen

Verfahren der kommunalen und industriellen Abwasser-

reinigung. Das zahlt sich ökologisch und ökonomisch

aus, denn die Membrantechnik bedeutet: weniger Kosten

für den Ver- und Entsorgungsbereich sowie die Produk-

tion, gleichzeitig erheblich weniger Umweltbelastung.

In der kommunalen Abwasserbehandlung werden be-

stimmte Typen von Membrananlagen – die Biomembran-

filtrationsanlagen (Membranbelebungsverfahren) – bis-

lang noch selten eingesetzt. Dies hat historische und

wirtschaftliche Gründe. Der Einsatz von Membranverfah-

ren bei der kommunalen Abwasserreinigung kann sich

bereits heute als wirtschaftlich erweisen, insbesondere

unter folgenden Randbedingungen:

• wenn nur wenig Fläche für den Neubau oder die Erwei-

terung von Anlagen zur Abwasserreinigung vorhanden

ist,

• wenn die Möglichkeiten zur anschließenden Verwen-

dung des gereinigten Abwassers genutzt werden sollen,

• wenn weitergehende oder zusätzliche Anforderungen

an die Ablaufqualität des Abwassers notwendig sind,

• wenn toxische Stoffe entfernt werden sollen,

• wenn eine hygienisch einwandfreie Abwasserqualität

angestrebt wird.

Bei Haus- und Kleinkläranlagen wie auch bei Schiffsklär-

anlagen und zunehmend bei der kommunalen Abwasser-

reinigung ist die Biomembranfiltration in Deutschland

bereits heute wettbewerbsfähig geworden.

Die Anwendung der Membrantechnik in der Industrie ist

sehr vielfältig und durch zahlreiche Referenzen belegt. In

der industriellen Abwasseraufbereitung wird die Membran-

technik für den produktionsintegrierten Umweltschutz

genutzt.

Vorwort

5

Mit der Membrantechnik wird Wasser – das meistgenutzte

Lösemittel in der Industrie – so gereinigt, dass es wieder

verwendet werden kann. In der Industrie können die aus

dem Wasser gefilterten Stoffe auch wieder neu genutzt

werden. Zwar lässt sich mit der Membrantechnik kein

vollständig geschlossener Kreislauf realisieren. Aber eine

Mehrfachnutzung des Wassers reduziert die Abwasser-

menge deutlich. Das spart den Unternehmen Kosten.

Diese Publikation stellt die Membrantechnik sowie ihren

Einsatz in der kommunalen und industriellen Abwasser-

reinigung in Deutschland gemäß dem Stand der Technik

und der Wissenschaft vor. Beispiele großtechnisch reali-

sierter Anlagen aus Kommunen und Industrieunternehmen

demonstrieren die Einsatzbreite und Leistungsfähigkeit

der Membrananlagen – die Planung, den Bau und Betrieb

sowie die dabei entstehenden Kosten eingeschlossen.

Damit bekommen Planer, abwasserbeseitigungspflichtige

Kommunen, Industrie- und Gewerbebetriebe sowie die

Genehmigungsbehörden eine solide Grundlage, um zu

entscheiden, ob die Membrantechnik als Lösung in Frage

kommt.

Eckhard Uhlenberg

Minister für Umwelt und Naturschutz,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz

des Landes Nordrhein-Westfalen

Sigmar Gabriel

Bundesminister für Umwelt,

Naturschutz und Reaktorsicherheit

Prof. Dr. Andreas Troge

Präsident des Umweltbundesamtes

Impressum

6

Diese wissenschaftliche Ausarbeitung wurde

vom Ministerium für Umwelt und Naturschutz,

Landwirtschaft und Verbraucherschutz

des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.

Verantwortlich


Abteilungsleiter


Dr.-Ing. Viktor Mertsch

Abwasserbeseitigung und Abwassertechnik




Inhaltliche Bearbeitung der 2. aktualisierten Auflage

FiW an der RWTH Aachen e.V.

M. Lange, Dr.- Ing. F.-W. Bolle, Dr.-Ing. S. Schilling,

S. Baumgarten (ISA, RWTH Aachen)

Inhaltliche Bearbeitung der 1. Auflage 2003:

FiW und ISA, RWTH Aachen

M. Lange (Vorsitz), S. Baumgarten, F.-W. Bolle,

Dr.-Ing. T. Buer, J. Schunicht, Dr.-Ing. K. Voßenkaul

Begleitende Arbeitsgruppe der 1. Auflage 2003:

Dr. V. Mertsch, I. Dierschke, K. Drensla, A. Kaste,

RBD A. Schmidt, Prof. Dr. W. Schmidt, S. Tenkamp,

Dr.-Ing. J. R. Tschesche, C. Wiedenhöft, T. Wozniak,

Dr. K. Zimmermann

Begutachtung der 1. Auflage 2003:

Prof. Dr.-Ing. P. Cornel, Dr.-Ing. W. Firk,

Dr.-Ing. J. Oles, Dr.-Ing. T. A. Peters, U. Voss

Englischsprachige Ausgabe

Eine englische Ausgabe mit dem Titel:

„Municipal Water and Waste Management:

Membrane Technology for Waste Water Treatment“

ist mit folgenden ISBN-Nummern verfügbar:

ISBN 3-939377-01-5

ISBN 978-3-939377-01-6

FiW Verlag

Mies-van-der-Rohe-Straße 17

52074 Aachen

Telefon: +49 (0) 241- 80 2 68 25

Telefax: +49 (0) 241- 87 09 24

E-Mail: [email protected]

ISBN 3-939377-00-7

ISBN 978-3-939377-00-9

Gestaltung

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Titelfoto

Erftverband

Herstellung

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76437 Rastatt

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www.greiserdruck.de

MF

Inhaltsverzeichnis

7

MF

MF

MF

MF

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UF

UF

UF

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MF

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MF

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MF

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UO

NF

Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose

1 Grundlagen der Membrantechnik 25

1.1 Grundlagen der Stofftrennung mittels Membrantechnik 26

1.2 Membranverfahren in der Abwasserreinigung 27

1.2.1 Mikro- und Ultrafiltration 30

1.2.2 Nanofiltration 31

1.2.3 Umkehrosmose 32

1.3 Membranmaterialien, -aufbau und -klassifizierung 33

1.3.1 Herkunft und Werkstoffe 33

1.3.2 Morphologie, Struktur und Herstellung 34

1.4 Membranformen und -module 36

1.5 Anordnung von Modulen 44

1.6 Betriebsarten 46

1.7 Deckschichtbildung 48

1.8 Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung 50

1.9 Weitere Aspekte zum Einsatz der Membranverfahren in der Abwasserreinigung 53

2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 59

2.1 Das Membranbelebungsverfahren 64

2.1.1 Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete 64

2.1.2 Eingesetzte Membranmodule 68

2.1.3 Planung und Betrieb von Membranbelebungsanlagen 80

2.1.3.1 Bemessung 80

2.1.3.2 Konstruktive und planerische Gestaltung 85

2.1.3.3 Betrieb 87

2.1.4 Investitionen und Betriebskosten 90

2.1.4.1 Investitionen 90

2.1.4.2 Betriebs- und Instandhaltungskosten 92

2.2 Praxisbeispiele zu großtechnischen Membranbelebungsanlagen 93

2.2.1 Anlagen in Deutschland mit Mikrofiltrationsmembranen 96

2.2.1.1 Kläranlage Seelscheid und Schulungseinrichtung 96

2.2.1.2 Pilotanlage Büchel 99

2.2.1.3 Kläranlage Richtheim 101

2.2.1.4 Kläranlage Eitorf (Inbetriebnahme) 102

2.2.1.5 Kläranlage Xanten-Vynen (Inbetriebnahme) 104

2.2.1.6 Kläranlage Piene (in Planung) 105

2.2.1.7 Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen (Inbetriebnahme) 106

2.2.1.8 Kläranlage Kohlfurth, Prozesswasserbehandlung 107

2.2.1.9 Kläranlage Dormagen, Prozesswasserbehandlung (Inbetriebnahme) 108

2.2.2 Anlagen außerhalb Deutschlands mit Mikrofiltrationsmembranen 109

2.2.2.1 Kläranlage Glasgow, Schottland 110

2.2.2.2 Kläranlage Ebisu Prime Square Building, Japan 112

2.2.2.3 Kläranlage St. Peter ob Judenburg, Österreich 113

2.2.3 Anlagen in Deutschland mit Ultrafiltrationsmembranen 114

2.2.3.1 Kläranlage Nordkanal 114

2.2.3.2 Kläranlage Monheim 116

2.2.3.3 Kläranlage Markranstädt 118

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UF

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MF

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MF

MF

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UF

UF

UF

UF

Inhaltsverzeichnis

8

MF Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose

2.2.3.4 Kläranlage Rödingen 121

2.2.3.5 Kläranlage Schramberg-Waldmössingen 123

2.2.3.6 Kläranlage Knautnaundorf 125

2.2.3.7 Pilotanlage Simmerath 126

2.2.3.8 Golfplatz St. Wendel 128

2.2.3.9 Kläranlage Glessen (in Planung) 130

2.2.4 Anlagen außerhalb Deutschlands mit Ultrafiltrationsmembranen 131

2.2.4.1 Pilotanlagen auf der Kläranlage Beverwijk, Niederlande 132

2.2.4.2 Kläranlage Varsseveld, Niederlande 134

2.2.4.3 Kläranlage Brescia, Italien 135

2.2.4.4 Kläranlage Säntis, Schweiz 137

2.3 Kleinkläranlagen, mobile Anlagen und Schiffskläranlagen mit Membrantechnik 138

2.3.1 Busse-MF-Anlage der Fa. Busse 138

2.3.2 UltraSept-Anlage der Fa. Mall 140

2.3.3 Kleinkläranlage für 4 EW in NRW 141

2.3.4 Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), Brauchwasseraufbereitung 141

2.3.5 MembraneClearBox®-Kleinkläranlage und HoneyComb® der Hans Huber AG 142

2.3.6 Mobile Anlagen für den Einsatz in Feldlagern 144

2.3.7 Schiffskläranlagen mit Membrantechnik 145

2.3.8 Kreuzfahrtschiff Queen Mary 2 146

2.3.9 Grau- und Schwarzwasserbehandlung auf Schiffen 148

2.4 Nachgeschaltete Membranstufe zur Abwasserhygienisierung 150

2.4.1 Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete 150

2.4.2 Eingesetzte Membranmodule 150

2.4.3 Betriebserfahrung 150

2.4.4 Großtechnische Anwendungen in Deutschland zur Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration 151

2.4.4.1 Kläranlage Geiselbullach 152

2.4.4.2 Kläranlage Merklingen 153

2.4.4.3 Kläranlage Bondorf-Hailfingen 155

2.4.5 Großtechnische Anwendungen außerhalb Deutschlands zur Abwasserhygienisierung 157

mit Ultrafiltration

2.4.5.1 Aufbereitungsanlage Torreele, Belgien 157

2.4.5.2 Aufbereitungsanlage Katowice, Polen 159

2.4.5.3 Aufbereitungsanlage Bedok, Singapur 160

2.5 Bemessungsbeispiel Membranbelebungsanlage (MBA) 161

2.5.1 Bemessungsgrundlagen 161

2.5.2 Interpretation der ARA-BER-Berechnung gemäß den Bemessungsempfehlungen für MBA 162

2.5.3 Bemessung der Membranfiltrationsstufe 163

2.5.4 Ergebnisausdruck der Bemessung mit ARA-BER 164

3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 165

3.1 Kurzüberblick 166

3.2 Ziele und Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen 168

3.3 Entscheidungskriterien 170

3.4 Wirtschaftlichkeit von Membrananlagen in der industriellen Abwasserreinigung 172

3.5 Anwendungsbeispiele in Deutschland 175

UO

UO

UF

UF

NF

UF

MF

UO

UF

UF

UF

UF

NF

UF

UO

MF

UF

UF

UF

UF

UF

UF

UF

UF

UO

MF

Inhaltsverzeichnis

9


3.5.1 Nahrungsmittelindustrie 177

3.5.1.1 Kartoffelstärkeproduktion 178

3.5.1.1.1 Nahrungsmittelindustrie, Emsland Stärke GmbH 179

3.5.1.2 Mälzerei 180

3.5.1.2.1 Mälzerei, Durst Malz – H. Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG 181

3.5.1.3 Nahrungsmittelindustrie, Beeck Feinkost GmbH & Co. KG 182

3.5.2 Druckindustrie, Peter Leis 183

3.5.3 Papierindustrie 184

3.5.3.1 Papierfabrik Palm, Werk Eltmann 185

3.5.4 Textilindustrie 186

3.5.4.1 Textilindustrie, Drews Meerane GmbH 187

3.5.4.2 Seidenweberei Pongs 189

3.5.4.3 Textilveredlung Gerhard van Clewe GmbH & Co. KG 191

3.5.5 Faserindustrie, Vulkanfiber 193

3.5.6 Kunststoffindustrie, Troplast 195

3.5.7 Wäschereien 196

3.5.7.1 Wäscherei Alsco 196

3.5.7.2 Textilservice Mewa GmbH 199

3.5.8 Metall verarbeitende Industrie 201

3.5.8.1 Metall verarbeitende Industrie, Rasselstein Hoesch GmbH 202

3.5.8.2 Metall verarbeitende Industrie, Faurecia Betrand Faure Sitztechnik 203

3.5.8.3 Metall verarbeitende Industrie, Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke 204

3.5.8.4 Metall verarbeitende Industrie, Wieland Werke AG 206

3.5.9 Lackwasseraufbereitung 208

3.5.9.1 Lackwasseraufbereitung DaimlerChrysler 208

3.5.9.2 Lackwasseraufbereitung aus der Ersatzteilfertigung im Ford Werk Köln 209

3.5.10 Pharmazeutische Industrie, Schering 211

3.5.11 Sonstiges 213

3.5.11.1 Deponiesickerwässer 213

3.5.11.1.1 Deponie Alsdorf-Warden 216

3.5.11.2 Fischzucht 218

3.5.11.3 Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD) Dresden 219

3.5.11.4 Bilgenentölung 221

3.5.11.5 Schwimmbäder 223

3.5.11.5.1 Schwimmbad, Aquana Freizeitbad 223

3.5.11.5.2 Schwimmbad, Freizeitbad Copa Ca Backum 225

3.6 Anwendungsbeispiele außerhalb Deutschlands 227

3.6.1 Nahrungsmittelindustrie 228

3.6.1.1 Müsliproduktion bei der Kellogg Company, Großbritannien 228

3.6.1.2 Stärkegrundproduktion bei Raisio Chemicals, Belgien 230

3.6.1.3 Molkerei Dairygold Food Products, Irland 231

3.6.1.4 Molkerei Diary Crest Limited, Großbritannien 233

3.6.1.5 Mälzerei Sobelgra n. v., Belgien 234

3.6.2 Wäscherei Massop, Niederlande 237

3.6.3 Pharmazeutische Industrie, Penicillinproduktion bei der Firma Sandoz, Spanien 238

3.6.4 Sonstiges 240

UF

UF

Inhaltsverzeichnis

10

3.6.4.1 Tierkörperbeseitigungsanlage der SARIA Bio-Industries, Frankreich 240

3.6.4.2 Mechanisch biologische Abfallbehandlungsanlage (MBA) 242

3.6.4.2.1 Abfallentsorgung bei der Firma Tirme, Spanien 242

4 Richtlinien und Normen in der Membrantechnik 245

5 Zusammenfassung und Ausblick 249

6 Literaturverzeichnis 253

A Anhang 263

A.1 Adressen (genannt in den Praxisbeispielen) 264

A.1.1 Standorte der Membrananlagen in Deutschland 264

A.1.2 Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller, Beratende Ingenieure 268

A.1.3 Wissenschaftliche Begleitung bei der Erstellung dieser Publikation 272

A.1.4 Weitere Institutionen und Personen, die zu den Inhalten beigetragen haben 274

A.1.5 Weitere Informationsquellen zum Thema Membrantechnik 275

A.2 Fördermöglichkeiten 276

A.2.1 Förderprogramme und Förderberatung des Bundes 276

A.2.2 Förderprogramme der Bundesländer 277

A.2.3 Förderprogramme der EU für den Bereich Umweltschutz bzw. den Bereich Wasserwirtschaft 282

A.3 Kurzchecklisten zu Abbildung 2-1 284

A.4 Kurzchecklisten zu Abbildung 3-1 286

A.5 Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“:

Aufbereitung von Industrieabwasser und Prozesswasser

mit Membranverfahren und Membranbelebungsverfahren 288

Teil I Membranverfahren 288

A.5.1 Einleitung 288

A.5.2 Bestimmung des Membranverfahrens 291

A.5.2.1 Bestimmung der erforderlichen Trenngrenzen 291

A.5.2.2 Bestimmung des Membranmaterials 291

A.5.2.3 Bestimmung des Membranmoduls 293

A.5.2.4 Bestimmung der Betriebsweise von Membrananlagen 295

A.5.3 Einsatzbeispiele 296

A.5.4 Projektierung von Membrananlagen 296

A.5.4.1 Grundlagenermittlung 296

A.5.4.2 Projektierung und Bemessung 296

A.5.4.2.1 Vorversuche im Labormaßstab 296

A.5.4.2.2 Pilotversuche vor Ort 297

A.5.4.2.3 Anlagenplanung 298

A.5.5 Bewertungskriterien zur Auswahl einer Membrananlage 298

A.5.5.1 Technische Bewertung eines Membranverfahrens hinsichtlich Einsatz und Vollständigkeit 298

A.5.5.1.1 Definition der Aufgabenstellung 298

A.5.5.1.2 Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage 298

A.5.5.1.3 Verwendung bzw. Entsorgung der entstehenden Produkte 299

A.5.5.1.4 Vorreinigung 299


A.5.5.1.5 Technische Ausführung 299

A.5.5.1.6 Redundanzen 299

A.5.5.1.7 Referenzen/Ähnliche Anwendungen 299

A.5.5.2 Betriebskosten 299

A.5.5.2.1 Betriebsmittel 299

A.5.5.2.2 Betriebshilfsmittel 300

A.5.5.2.3 Personalkosten 300

A.5.5.2.4 Lebensdauer und Membranersatz 300

A.5.5.3 Änderungen der Bedingungen bei Betrieb der Anlage 300

A.5.5.4 Sonstige Punkte 300

A.5.5.4.1 Störungen 300

A.5.5.4.2 Vorversuche 301

A.5.6 Fragebogen Prozessdatenerhebung 301

A.5.6.1 Beschreibung der Trennaufgabe, die mit einem Membranverfahren gelöst werden soll 301

A.5.6.2 Zur Bewertung bzw. zur Integration eines Membranverfahrens in ein

Gesamtbehandlungskonzept 301

A.5.6.3 Fragen zur Anlagenauslegung 301

A.5.6.4 Anforderungen an Ausführung und Bau der Membrananlage 301

Teil II Aerobe Membranbelebungsverfahren 302

A.5.7 Allgemeines 302

A.5.8 Konstruktiver Aufbau 302

A.5.8.1 Anordnung 302

A.5.8.1.1 Getauchte Membranmodule 303

A.5.8.1.2 Trocken aufgestellte Membranmodule 303

A.5.8.2 Deckschichtkontrolle 303

A.5.8.2.1 Deckschichtkontrolle bei getauchten Systemen 303

A.5.8.2.2 Deckschichtkontrolle bei trocken aufgestellten Systemen 304

A.5.8.2.3 Generell 304

A.5.8.3 Reinigungsstrategien 304

A.5.9 Anforderungen an den Zulauf 307

A.5.9.1 Allgemeines 307

A.5.9.2 Mechanische Vorbehandlung 307

A.5.9.3 Misch- und Ausgleichsbecken 307

A.5.9.4 Calcium-Gehalt 307

A.5.9.5 Eisen- und Aluminiumgehalt 308

A.5.10 Bemessungshinweise für Membranbelebungsanlagen 308


A.5.10.2 Flächenbedarf 308

A.5.10.3 Eliminationsraten 309

A.5.10.4 Belüftung 309

A.5.10.5 Hydraulik 310

A.5.10.5.1 Flexibilität 310

A.5.10.5.2 Rezirkulation 310

A.5.10.6 Temperatureinfluss 310

A.5.11 Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen 311

A.5.11.1 Schlammeigenschaften 311

Inhaltsverzeichnis 1

11

A.5.11.1.1 Schlammcharakterisierung 311

A.5.11.1.2 Rheologische Eigenschaften 311

A.5.11.1.3 Überschussschlammproduktion 312

A.5.11.1.4 Schlammbehandlung 312

A.5.11.1.5 Schaumbildung 312

A.5.12 Wirtschaftlichkeit 313

A.5.12.1 Definition der Wirtschaftlichkeit 313

A.5.12.2 Investition/Kapitalkosten 313


A.5.12.4 Kostenrelevante Faktoren im Vergleich 314

A.5.13 Beispiele im Bereich Industrieabwasser (Europa) 315

A.5.14 Literaturverzeichnis 316

A.6 2. Arbeitsbericht des DWA Fachausschusses KA-7

„Membranbelebungsverfahren“ vom 19.01.2005 318

A.6.1 Einführung 318

A.6.2 Beschreibung des Membranbelebungsverfahrens 319

A.6.3 Hinweise zur Planung und Bemessung 323

A.6.4 Schlammbehandlung 327

A.6.5 Chemische Reinigung der Membranmodule 329

A.6.6 Energiebedarf 330

A.6.7 Ertüchtigung bestehender kommunaler Kläranlagen 332

A.6.8 Hinweise zur Inbetriebnahme 333

A.6.9 Kosten 334

A.6.10 Jahreskosten 337

A.6.10.1 Kapitaldienst und Membranersatz 337


A.6.11 Schlussbemerkung 337

A.6.12 Vorteile und Risiken des Membranbelebungsverfahrens 338


A.6.13 Glossar 338

A.6.14 Literaturverzeichnis 342

A.7 Großtechnisch realisierte Membrananlagen zur Trinwasseraufbereitung (in D) 344

A.8 Glossar 345

A.9 Abkürzungsverzeichnis 347

Einleitung1

12

Abbildungsverzeichnis 1

13


Abb. 1-1 Funktionsweise von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen 26

Abb. 1-2 Darstellung der unterschiedlichen Einsatzbereiche von Membranverfahren 27

Abb. 1-3 Größe typischer Abwasserinhaltsstoffe und Porengröße eingesetzter Membranen 28

Abb. 1-4 Idealisierte Darstellung einer Poren- und einer Lösungs-Diffusions-Membran [nach MELIN 1999] 29

Abb. 1-5 Klassifizierung von Membranen [nach RAUTENBACH 1997] 33

Abb. 1-6 REM-Aufnahmen von Schnitten verschiedener Membranen 35

Abb. 1-7 Draufsicht auf die aktive Schicht einer Polyethylen-Membran (MF/UF) [AGGERVERBAND 2002] 35

Abb. 1-8 Draufsicht auf die Bruchkante einer Polyethylen-Membran (MF/UF), sichtbar ist die aktive Schicht

[AGGERVERBAND 2002] 35

Abb. 1-9 Membran- und Modulformen 36

Abb. 1-10 Rohrmodule [Foto: WEHRLE WERK AG] 38

Abb. 1-11 Kapillar- bzw. Hohlfasermodule [Foto: KOCH MEMBRANE SYSTEMS] 39

Abb. 1-12 Wickelmodule Prinzipskizze [N.N. 2001], [Foto: NADIR FILTRATION GMBH] 40

Abb. 1-13 Kissenmodul, [Prinzipskizze und Foto: ROCHEM UF SYSTEME GMBH] 41

Abb. 1-14 Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul) [PALL 2001] 42

Abb. 1-15 Neuartige Multibore-Kapillaren der Firma inge AG [Foto: INGE AG] 43

Abb. 1-16 Vom Membranelement zur Membranstufe 44

Abb. 1-17 Reihenschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] 44

Abb. 1-18 Parallelschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] 45

Abb. 1-19 Anordnung von mehreren Modulen nach der Tannenbaumstruktur [nach RAUTENBACH 1997] 45

Abb. 1-20 Schematische Darstellung einer Membran bei der Crossflow- bzw. Dead-End-Filtration

[nach MELIN 1999] 47

Abb. 1-21 Filtrationsintervalle im Dead-End-Betrieb [nach RAUTENBACH 1997] 47

Abb. 1-22 Schematische Übersicht der Filtrationswiderstände auf der Membranoberfläche und

in der Membran [KRAMER, KOPPERS 2000] 49

Abb. 1-23 Auswirkung der Membranreinigung auf den Fluss bei konstantem Druck 51


Abb. 2-1 Anlass - Planung - Betrieb einer kommunalen Membranbelebungsanlage, Inhalte im Kapitel

„Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung“ 61

Abb. 2-2 Konventionelle Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren und Anordnungs-

möglichkeiten einer Membranstufe bei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen [OHLE 2001] 62

Abb. 2-3 Verfahrensschema einer Kläranlage mit Membranbelebungsverfahren und nachgeschalteter

Membranstufe 63

Abb. 2-4 Vergleich der Keimbelastung im Ablauf von Kläranlagen [BAUMGARTEN, BRANDS 2002] 66

Abb. 2-5 Schematische Darstellung des Flächenbedarfs einer konventionellen Belebungsanlage

und einer Membranbelebungsanlage am Beispiel der KA Kaarst [ERFTVERBAND 2002] 67

Abb. 2-6 ZeeWeedTM-Modul der Firma ZENON 68

Abb. 2-7 Anordnung mehrerer ZeeWeedTM-Module ZW 1000 in einer Kassette [Foto: ZENON] 69

Abb. 2-8 Plattenmodul der Firma Kubota 69

Abb. 2-9 Anordnung der Plattenmodule der Firma Kubota als „Doppeldecker“ [AGGERWASSER GMBH 2004] 70

Abb. 2-10 PURON Modul und Modulbaustein [Foto: PURON] 71

Abb. 2-11 Membranmodul der Martin Systems AG [Foto: MARTIN SYSTEMS AG] 72

Abb. 2-12 Huber VRM®-Verfahren [Fotos: HANS HUBER AG, MARTIN SYSTEMS AG] 73

Abb. 2-13 Huber VUM®-Verfahren [HANS HUBER AG] 74

Abbildungsverzeichnis1

14

Abb. 2-14 Membranelement und Membranmodul der Fa. Mitsubishi [Foto: ENVICARE®] 74

Abb. 2-15 Plattenmodul der Firma A3 GmbH [Foto: A3 GMBH] 75

Abb. 2-16 Membranmodul der Fa. US Filter Corporation [Foto: US FILTER CORPORATION] 76

Abb. 2-17 Membranmodul der Fa. Keppel Seghers Belgium [Foto: KEPPEL SEGHERS BELGIUM NV] 76

Abb. 2-18 Modulsystem der Weise Water Systems GmbH&Co.KG [WEISE WATER SYSTEMS GMBH & CO. KG] 77

Abb. 2-19 Keramische Plattenmembranen der Firma ItN Nanovation [Foto: ItN NANOVATION] 78

Abb. 2-20 Membranmodul und Konfiguration der Module im Rack mit darunter liegender

Belüftungseinrichtung [Fotos: ItN NANOVATION] 78

Abb. 2-21 Prinzipskizze des Rotationsscheibenfilters (RSF) 79

Abb. 2-22 Module des Rotations-Scheibenfilters im Labormaßstab [Foto: FRAUNHOFER IGB] 79

Abb. 2-23 Spezifische Überschussschlammproduktion in Membranbelebungsstufen [ATV-DVWK 2000a] 81

Abb. 2-24 Sauerstoffübergangskoeffizienten (�-Werte) der KA Rödingen und Markranstädt bei einer

feinblasigen Druckbelüftung [CORNEL ET AL. 2001] 84

Abb. 2-25 Prinzipskizze und Ansicht einer Siebanlage für Membranbelebungsanlagen

(Kläranlage Markranstädt) [HUBER 2002, STEIN 2002a] 85

Abb. 2-26 Energiebedarf einer Membranbelebungsanlage (8.000 E) mit simultaner aerober

Schlammstabilisierung [STEIN ET AL. 2001] 89

Abb. 2-27 Entwicklung der Membranersatzkosten [ISA 2002; CHURCHHOUSE, WILDGOOSE 2000] 92

Abb. 2-28 Verfahrensschema der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] 97

Abb. 2-29 Membrananlage auf der Kläranlage Seelscheid [Fotos: AGGERVERBAND 2004] 97

Abb. 2-30 Bestehende Sandfilterbecken für die geplanten Schulungsanlagen [Foto: AGGERVERBAND 2004] 98

Abb. 2-31 Verfahrensschema der Schulungsanlagen [nach AGGERVERBAND 2004] 98

Abb. 2-32 Ansicht der Pilotanlage Büchel [Foto: AGGERVERBAND] 99

Abb. 2-33 Verfahrensschema der Pilotanlage Büchel [BAUMGARTEN 2001b] 99

Abb. 2-34 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage 101

Abb. 2-35 Verfahrensschema der Kläranlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF] 102

Abb. 2-36 Kläranlage Eitorf mit abgedeckten Membranbecken zwischen den Gebäuden im Vordergrund 103

Abb. 2-37 Membrananlage in Containerbauweise für die Kläranlage Xanten-Vynen [Foto: A3 GMBH] 104

Abb. 2-38 Verfahrensschema der Kläranlage Xanten-Vynen einschließlich der Membranbelebungsanlagen

[nach LINEG 2004] 104

Abb. 2-39 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage 105

Abb. 2-40 Verfahrensschema der Kläranlage Kohlfurth [nach WUPPERVERBAND 2004] 107

Abb. 2-41 Verfahrensschema der Kläranlage Dormagen [nach STADT DORMAGEN 2004] 108

Abb. 2-42 Luftbild der Kläranlage Swanage [Foto: AQUATOR GROUP] 109

Abb. 2-43 Verfahrensschema der Schlammbehandlungsanlage Glasgow [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 110

Abb. 2-44 Draufsicht auf die Schlammbehandlungsanlage (STP) Glasgow und auf ein Becken

der Membranstufe [Foto: AGGERWASSER GMBH 2001] 111

Abb. 2-45 Ebisu Prime Square Building [Foto: AGGERWASSER GMBH 2004] 112

Abb. 2-46 Abwasserreinigungsanlage im Keller des Ebisu Prime Square Building

[Foto: AGGERWASSER GMBH 2004] 112

Abb. 2-47 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 112

Abb. 2-48 Verfahrensschema der Kläranlage St. Peter ob Judenburg [nach ENVICARE] 113

Abb. 2-49 Kläranlage St. Peter ob Judenburg [Fotos: ENVICARE] 114

Abb. 2-50 Siebtrommel der Feinrechenanlage auf der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 115

Abb. 2-51 Verfahrensschema der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 115

Abb. 2-52 Membranbelebungsbecken auf der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 116


15

Abb. 2-53 Kläranlage Monheim [Foto: BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 117

Abb. 2-54 Verfahrensschema der Kläranlage Monheim [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR

WASSERWIRTSCHAFT 2004] 117

Abb. 2-55 Modulkassetten bei der on-air-Reinigung [Foto: STADT MONHEIM 2004] 118

Abb. 2-56 Verfahrensstufen auf der KA Makranstädt [STEIN 2002a] 119

Abb. 2-57 Verfahrensstufen der Kläranlage Makranstädt [STEIN 2002a] 120

Abb. 2-58 Fließschema der KA Rödingen 122

Abb. 2-59 Blick in die zwei Filtrationsstraßen beim Einbau der ZeeWeed®-Kassetten [Foto: ERFTVERBAND] 122

Abb. 2-60 Kläranlage Schramberg [Foto: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 123

Abb. 2-61 Verfahrensschema der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen

[nach STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 124

Abb. 2-62 Membrananlage auf der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen

[Fotos: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 124

Abb. 2-63 Verfahrensschema der Demonstrationsanlage Simmerath [nach WVER 2004] 126

Abb. 2-64 Membrananlage auf der Kläranlage Simmerath [Fotos: PURON AG 2003] 127

Abb. 2-65 Verfahrensschema der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [nach STADT ST. WENDEL] 128

Abb. 2-66 Modulrack auf der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [Fotos: ItN NANOVATION] 129

Abb. 2-67 Verfahrensschema der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] 130

Abb. 2-68 Luftbild und Fließbild der Kläranlage Lowestoft [ZENON 2002] 131

Abb. 2-69 Fotos der Pilotanlagen und Membranmodule auf dem Testfeld der Kläranlage Beverwijk [DHV 2004] 133

Abb. 2-70 Verfahrensschema der Kläranlage Varsseveld [nach DHV 2004] 134

Abb. 2-71 Verfahrensschema der Kläranlage Brescia [nach ZENON GMBH 2004] 135

Abb. 2-72 Luftaufnahme der Kläranlage Brescia [Foto: ZENON GMBH 2004] 136

Abb. 2-73 Ansicht und Fließbild der Membranbelebungsanlage nach dem ZenoGem®-Verfahren auf

dem Säntis [ZENON 2002], Lage der Membranbelebungsanlage auf dem Säntis und Ansicht

der Module [ZENON 2002] 137

Abb. 2-74 Ansicht der Busse-MF-Kleinkläranlage (vormals BioMIR® [BUSSE 2002]) 138

Abb. 2-75 Schematische Darstellung einer Busse-MF-Anlage [BUSSE 2002] 139

Abb. 2-76 Schema der UltraSept-Anlage der Fa. Mall [MALL 2002] 140

Abb. 2-77 Grauwasseraufbereitung bei der KfW 141

Abb. 2-78 Membrananlage zur Brauchwasseraufbereitung im Keller der KfW [WEISE WATER SYSTEMS GMBH] 142

Abb. 2-79 Einbauskizze einer Membrankleinkläranlage in eine Mehrkammergrube [HUBER AG 2004] 143

Abb. 2-80 MembraneClearBox®-Kleinkläranlage der Huber AG [Fotos: HUBER AG 2004] 143

Abb. 2-81 Transport der Containeranlage auf einem Einsatzfahrzeug und Schema der Containeranlage

[A3 GMBH 2004] 144

Abb. 2-82 Ansicht einer MEMROD® Schiffskläranlage nach dem Membranbelebungsverfahren für

250 Personen [VA TECH WABAG 2002] 146

Abb. 2-83 Ultrafiltrationsmodul Pleiade® zur Abwasserreinigung auf der Queen Mary 2 [Foto: ORELIS SA 2004] 146

Abb. 2-84 Foto der Queen Mary 2 147

Abb. 2-85 Verfahrensschema der Abwasserreinigungsanlage auf der Queen Mary 2 [nach ORELIS SA 2004] 147

Abb. 2-86 Verfahrensschema der Abwasserreinigung nach der Two-Stream-Lösung [nach ROCHEM UF 2004] 148

Abb. 2-87 Membran-Bioreaktor BioFilt mit drei Straßen à 4,5 m3/d Permeat [ROCHEM UF 2004] 149

Abb. 2-88 Niederdruck-Umkehrosmose für die Grauwasser-Aufbereitung für 600 m3/d Permeat

[Foto: ROCHEM UF 2004] 149

Abb. 2-89 Verfahrensschema der Kläranlage Geiselbullach [nach AMPERVERBAND 2004] 152

Abb. 2-90 Aufbereitungsanlage auf der Kläranlage Geiselbullach [Fotos: AMPERVERBAND 2002] 153


16

Abb. 2-91 Verfahrensschema der Kläranlage Merklingen [nach RP TÜBINGEN 2004] 153

Abb. 2-92 Druckrohre der Ultrafiltrationsanlage auf der Kläranlage Merklingen [RP TÜBINGEN 2004] 154

Abb. 2-93 Verfahrensschema der Kläranlage Hailfingen [nach ABWASSERZWECKVERBAND

BONDORF-HAILFINGEN 2004] 156

Abb. 2-94 Membrananlage auf der Kläranlage Hailfingen im Bau

[Fotos: ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 156

Abb. 2-95 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage in Torreele [nach ZENON GMBH 2004] 158

Abb. 2-96 Verfahrensschema der Ultrafiltrationsanlage zur Brauchwasseraufbereitung in Katowice

[nach ZENON GMBH 2004] 159

Abb. 2-97 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage Bedok [nach ZENON GMBH 2004] 160

Abb. 2-98 Gesamtansicht der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] 161

Abb. 2-99 Ultrafiltrationsanlage der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] 161


Abb. 3-1 Anlass – Planung – Betrieb einer Membrananlage

Übersicht der Inhalte im Kapitel „Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung“ 167

Abb. 3-2 Ziele und wirtschaftliche Interessen beim Einsatz einer Membrananlage in der

Industrieabwasserreinigung 168

Abb. 3-3 Vorgehensweise bei der Planung einer Anlage zur Industrieabwasserreinigung 171

Abb. 3-4 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Membrananlage 173

Abb. 3-5 Fließschema der Kartoffelstärkeproduktion 178

Abb. 3-6 Fließschema zur Aufbereitung von Prozess- und Kartoffelfruchtwasser bei der

Emsland Stärke GmbH [nach LOTZ 2000] 179

Abb. 3-7 Umkehrosmoseanlage bei der Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG, Gernsheim [LINDEMANN 2001] 181

Abb. 3-8 Verfahrensskizze der Abwasseraufbereitung bei BEECK Feinkost GmbH

[nach KOCH-GLITSCH GMBH 2001] 182

Abb. 3-9 Ultrafiltrationsanlage in der Grafischen Handelsvertretung Peter Leis [LEIS IN EFA 2000] 184

Abb. 3-10 Nanofiltrationsanlage in der Papierfabrik Palm, Werk Eltmann [SCHIRM 2001] und Teilausschnitt

der Rohrmodul-Anordnung in einer Feed-and-Bleed-Struktur [nach SCHIRM 2001] 186

Abb. 3-11 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage bei

Drews Meerane GmbH [nach ZENON GMBH 2004] 188

Abb. 3-12 Umbau der Abwasserreinigungsanlage bei PONGS Textil GmbH [Foto: A3 GMBH 2000] 189

Abb. 3-13 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei der Fa. PONGS [nach A3 GMBH 2004] 190

Abb. 3-14 Ultrafiltrationsanlage im Textilveredlungsbetrieb van Clewe [BÖTTGER 2001] 192

Abb. 3-15 Verfahrensfließbild der Prozesswasseraufbereitung in der

Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [AMAFILTER 2001] 193

Abb. 3-16 Umkehrosmoseanlage in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [Foto: AMAFILTER] 194

Abb. 3-17 Ultrafiltrationsanlage bei der HT Troplast AG [Foto: HT TROPLAST] 195

Abb. 3-18 Verfahrensschema der Abwasserbehandlung in der Wäscherei ALSCO

[nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 197

Abb. 3-19 Membrananlage in der Wäscherei ALSCO [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 198

Abb. 3-20 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage der Textilservice Mewa GmbH [nach ENVIRO CHEMIE 2004] 199

Abb. 3-21 Ultrafiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] 200

Abb. 3-22 Nanofiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] 200

Abb. 3-23 Ultrafiltrationsanlage im Unternehmen Rasselstein Hoesch [Foto: MFT GMBH] 202

Abb. 3-24 Ultrafiltrationsanlage in der Fa. Faurecia, Bertrand Faure Sitztechnik GmbH & Co. KG [KASTEN 2001] 203


17

Abb. 3-25 Funktionsweise der Membran-Elektrolyse [SCHMIDT 2002] 205

Abb. 3-26 Ultrafiltrationsanlage im Werk Langenberg der Wieland Werke AG [MUNLV 2001] 207

Abb. 3-27 Ultrafiltrationsanlage bei DaimlerChrysler in Düsseldorf [HARMEL 2001] 208

Abb. 3-28 Verfahrensschema der Lackierung [IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 209

Abb. 3-29 Nanofiltrationsanlage im Ford Werk Köln [Foto: IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 210

Abb. 3-30 Luftaufnahme der Kläranlage bei der Schering AG [Fotos: SCHERING AG 2004] 211

Abb. 3-31 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der SCHERING AG in Bergkamen

[nach SCHERING AG 2004] 212

Abb. 3-32 Membranmodul bei der optischen Überprüfung [Foto: SCHERING AG 2004] 213

Abb. 3-33 Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser

ohne Einsatz der Membranverfahren [ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998] 214

Abb. 3-34 Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser

unter Einsatz der Membranverfahren mit und ohne biologische Vorbehandlung

[ergänzt nach ROSENWINKEL, BAUMGARTEN, G. 1998] 214

Abb. 3-35 Umkehrosmoseanlage auf der Deponie Alsdorf-Warden [MAURER 2001] 216

Abb. 3-36 Aufbau der Kompositmembran [MAURER 2001] 217

Abb. 3-37 Verfahrensschema einer Kreislaufanlage zur Reinigung von Abwasser aus der Fischzucht

[UMWELTBUNDESAMT 2004] 219

Abb. 3-38 Schema des RÖKU-Verfahrens [nach DPC 1997] 220

Abb. 3-39 Ultrafiltrations-Anlage für das Verfahren RÖKU [Foto: THERM-SERVICE] 221

Abb. 3-40 Verfahrensskizze der Bilgenentölung [nach DEUTSCH 2001] 222

Abb. 3-41 Wasserkreislaufführung und Aufbereitung im Aquana Freizeitbad [nach DEGEBRAN®] 224

Abb. 3-42 Wasseraufbereitung im Freizeitbad Copa Ca Backum [nach L. V. H. T. 2001] 226

Abb. 3-43 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Kellogg Company in Manchester


Abb. 3-44 Cross-Flow-Ultrafiltration bei der Kellogg Company in Manchester

[Foto: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 229

Abb. 3-45 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei Raisio Chemicals [nach HUBER AG 2004] 230

Abb. 3-46 Huber VRM®-Verfahren (rotierende Module) [Fotos: HUBER AG 2004] 230

Abb. 3-47 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei Dairygold Food Products, Irland


Abb. 3-48 Gesamtanlage bei Dairygold Food Products mit der Membrananlage im Vordergrund

[WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 232

Abb. 3-49 Verfahrensschema der Abwasserbehandlung bei Diary Crest, Großbritannien


Abb. 3-50 Luftaufnahme der Mälzerei Sobelgra im Antwerpener Hafen [Foto: PURON AG] 235

Abb. 3-51 Verfahrensschema der Werkskläranlage der Fa. Sobelgra [nach PURON AG] 236

Abb. 3-52 Schema der Membranbelebungsanlage und Membranmodule [Foto: PURON AG] 236

Abb. 3-53 Umkehrosmoseanlage in der Wäscherei Massop, Kerkrade [ROTH 2001] 237

Abb. 3-54 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage in Barcelona [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 239

Abb. 3-55 Membranbelebungsanlage und Membranmodule während der Bauphase bei

der Fa. Sandoz in Spanien [Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004] 239

Abb. 3-56 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei SARIA Bio-Industries in Bayet

[nach ZENON GMBH 2004] 241

Abb. 3-57 Gesamtansicht der Membranbelebungsanlage der TBA in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004] 241


18

Abb. 3-58 Container mit eingebauten Modulen bei SARIA Bio-Industries in Bayet

[Foto: ZENON GMBH 2004] 241

Abb. 3-59 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Firma TIRME, Spanien


Abb. 3-60 Abwasserreinigungsanlage bei der Firma Tirme [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 343

A Anhang 263

Abb. A-1 Schematische Darstellung des Grundprinzips eines Membranverfahrens 289

Abb. A-2 Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren 289

Abb. A-3 Querschnitt durch eine Phaseninversionsmembran am Beispiel einer UF-Hohlfasermembran 292

Abb. A-4 Kompositmembran 292

Abb. A-5 Stirnseitige Ansicht eines Rohrmoduls mit 5,5 mm – Rohrmembranen [Foto: X-FLOW] 294

Abb. A-6 Abbildung eines Kissenmoduls [TYP ROCHEM FM] 294

Abb. A-7 Prinzipieller Aufbau eines Spiral-Wickelmoduls 295

Abb. A-8 Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage 298

Abb. A-9 Schematischer Vergleich des konventionellen Belebungsverfahrens mit dem

Membranbelebungsverfahren 302

Abb. A-10 Anordnung der getauchten Membranmodule im aeroben Teil des Belebungsbeckens 303

Abb. A-11 Anordnung der getauchten Membranmodule in einem externen Filtrationsbecken 303

Abb. A-12 Anordnung der trocken aufgestellten Membranmodule 303

Abb. A-13 Qualitativer Zusammenhang zwischen erforderlicher Membranfläche, Energiebedarf und Fluss 304

Abb. A-14 Trocken aufgestellte Membranfiltration 319

Abb. A-15 Einbaumöglichkeiten einer getauchten Membranfiltration 320

Abb. A-16 Beispielhafte schematische Darstellung verschiedener Module 321

Abb. A-17 Übliche Betriebsweisen der Membranmodule 322

Abb. A-18 Einfluss der Feststoffkonzentrationen auf den �-Wert für feinblasige Druckbelüftungsanlagen 326

Abb. A-19 Spezifischer Energieverbrauch der KA Markranstädt [STEIN, KERKLIES 2003] 331

Abb. A-20 Spezifischer Energieverbrauch der KA Monheim [WEDI 2003] 332

Abb. A-21 Beispiel einer Aufteilung von Errichtungskosten einer Membranbelebungsanlage

für ca. 300 m3/h [WEDI 2003] 335

Abb. A-22 Orientierende Netto-Kostenrichtwerte für die betriebsfertige Membranfiltrationsanlage

ohne baulichen Teil [WEDI 2003] 336

Tabellenverzeichnis 1

19


Tab. 1-1 Druckgetriebene Membranverfahren in der Abwasserreinigung 29

Tab. 1-2 Typische Kennzeichen der Mikro- und Ultrafiltration 30

Tab. 1-3 Typische Kennzeichen der Nanofiltration 31

Tab. 1-4 Typische Kennzeichen der Umkehrosmose 32

Tab. 1-5 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit rohrförmigen Membranen 37

Tab. 1-6 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit flachen Membranen 37

Tab. 1-7 Deckschichtbildung bei der Membranfiltration [nach BAUMGARTEN 1998] 49

Tab. 1-8 Methoden zur Verringerung und Entfernung von Deckschichten 50

Tab. 1-9 Beispiele für Reinigungschemikalien und ihre Anwendungen 52

Tab. 1-10 Trenngrenze und Transmembrandruck von druckgetriebenen Membranverfahren 53

Tab. 1-11 Größenangaben für Bakterien und Viren 54

Tab. 1-12 Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser [KOPPE, STOZEK 1999] 55

Tab. 1-13 Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe, deren Rückhalt durch Nanofiltrations-

membranen zu erwarten ist [MUNLV 2004] 57


Tab. 2-1 Vorteile des Membranbelebungsverfahrens gegenüber dem konventionellen Belebungsverfahren 64

Tab. 2-2 Leistungsdaten von Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen

[DOHMANN ET AL. 2002] 65

Tab. 2-3 Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme 88

Tab. 2-4 Einsparpotenziale und Mehrkostenbereiche bei den Investitionen von Membranbelebungsanlagen

gegenüber konventionellen Belebungsanlagen 91

Tab. 2-5 Anlagendaten der bestehenden großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommunalen

Abwasserreinigung in Deutschland (Stand: Dezember 2004) 94

Tab. 2-6 Im Bau befindliche bzw. geplante Membranbelebungsanlagen in Deutschland (Stand: Dezember 2005) 95

Tab. 2-7 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Seelscheid

[nach AGGERVERBAND 2004] 96

Tab. 2-8 Eingangswerte für die Bemessung der Membranbelebungsanlage Eitorf

[nach GEMEINDEWERKE EITORF 2004] 102

Tab. 2-9 Einleitanforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen

[nach WVER 2004] 106

Tab. 2-10 Rohwasser- und Permeatqualität [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 112

Tab. 2-11 Zulauf- und Ablaufkonzentrationen der Kläranlage 113

Tab. 2-12 Mindestanforderungen und Einleiterlaubnis der Kläranlage Nordkanal [ERFTVERBAND 2004] 114

Tab. 2-13 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Monheim

[BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 118

Tab. 2-14 Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Markranstädt

[STEIN 2002a] 119

Tab. 2-15 Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Rödingen

[nach ENGELHARDT ET AL. 2001] 121

Tab. 2-16 Einleiterlaubnis für die Kläranlage Simmerath [WVER 2004] 126

Tab. 2-17 Betriebswerte der Membranbelebungsanlage in Simmerath [WVER 2004] 127

Tab. 2-18 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Golfplatz St. Wendel

[STADT ST. WENDEL 2005] 128

Tabellenverzeichnis1

20

Tab. 2-19 Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] 130

Tab. 2-20 Eckdaten zu den verschiedenen Pilotanlagen [DHV 2004] 132

Tab. 2-21 Rohabwasserkonzentration, Betriebswerte und Anforderungen an die Ablaufqualität der

Kläranlage Brescia [ZENON GMBH 2004] 136

Tab. 2-22 Anforderungen an die Ablaufgüte von Kleinkläranlagen und ermittelte Ablaufwerte der

Busse-MF-Anlage 139

Tab. 2-23 Kenndaten verschiedener Membranmodule für die Filtration von Kläranlagenabläufen der

Versuchsanlagen der Berliner Wasserbetriebe und der Anlagen auf den Kläranlagen Geiselbullach,

Hailfingen und Merklingen 150

Tab. 2-24 Membrananlagen zur Abwasserhygienisierung in Deutschland 151

Tab. 2-25 Anforderungen an die Ablaufqualität und Betriebswerte der Kläranlage Hailfingen

[ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 155

Tab. 2-26 Abwasserbeschaffenheit im Ablauf der Nachklärung der Kläranlage Wulpen [ZENON GMBH 2004] 157

Tab. 2-27 Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf der Ultrafiltrationsanlage zur Aufbereitung des

Ablaufs der Nachklärung der Kläranlage Katowice zu Brauchwasser [ZENON GMBH 2004] 159

Tab. 2-28 Bemessungsergebnisse nach HSG-Ansatz für eine konventionelle Kläranlage mit TSBB = 12 g/l 162

Tab. 2-29 Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Berücksichtigung unterschiedlicher Forderungen

zur Auslegung von Membrananlagen 162


Tab. 3-1 Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieabwasserreinigung 169

Tab. 3-2 Ablauf für die Planung einer Membrananlage [nach THEILEN 2000; PETERS 2001] 172

Tab. 3-3 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen

Abwasserbehandlung in Deutschland 176

Tab. 3-4 Qualität des Recyclingwassers 2 [ENVIRO CHEMIE 2004] 201

Tab. 3-5 Zulaufkonzentrationen, Einleitungsgrenzwerte und Betriebswerte der Anlage bei der

Schering AG [SCHERING AG 2004] 212

Tab. 3-6 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen

Abwasserbehandlung außerhalb Deutschlands 227

A Anhang 263

Tab. A-1 Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme

zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ 278

Tab. A-2 Membranverfahren und deren Einsatzbereiche 291

Tab. A-3 Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die verschiedenen Membranverfahren 293

Tab. A-4 Eigenschaften und Anwendungsgebiete verschiedener Modulformen 294

Tab. A-5 Membrananlagen in der westeuropäischen Industrie 315

Tab. A-6 Kenndaten ausgelegter Membranbelebungsanlagen [WEDI 2002a] 325

Tab. A-7 Untersuchungen zur Entwässerbarkeit von Überschussschlämmen (ÜS) auf einer großtechnischen

Zentrifuge 328

Tab. A-8 Beispielhafte Darstellung membrantypischer Jahreskostenanteile 337

Einführung

21

Was ist Membrantechnik?

Die Membrantechnik ist ein physikalisches Verfahren zur

Trennung von Stoffgemischen, bei dem die eingesetzten

Membranen ähnlich wie ein Filter funktionieren. Die ab-

getrennten Stoffe werden dabei weder thermisch noch

chemisch oder biologisch verändert. In der Abwasserrei-

nigung wird die Membrantechnik auch in Kombination

mit weiteren, z. B. biologischen Reinigungsverfahren, ein-

gesetzt.

Einsatzgebiete

Die Membrantechnik findet weltweit ein immer breiteres

Anwendungsfeld. Während ihre Anfänge im Bereich der

Wasseraufbereitung in der Meer- und Brackwasserentsal-

zung in ariden Klimazonen lagen, wird sie seit Jahrzehn-

ten auch zur Trennung von hochwertigen Stoffen aus klei-

nen Volumenströmen eingesetzt, z. B. in der Biotechnolo-

gie und der pharmazeutischen und chemischen Industrie,

der Metall verarbeitenden Industrie und in der Nahrungs-

mittel- und Getränkeindustrie.

Daneben konnte sich die Membrantechnik zur Reinigung

hochbelasteter industrieller Abwässer als leistungsfähiges

und wirtschaftliches Verfahren durchsetzen. Seit etwa

zehn Jahren wird die Membrantechnik auch für vergleichs-

weise gering belastete und große Volumenströme sowohl

in der Trinkwasseraufbereitung als auch der kommunalen

Abwasserreinigung (Membranbelebungsverfahren) erprobt

und eingesetzt.

Membranverfahren werden in der Trinkwasseraufbereitung

zur Verbesserung des Partikelrückhalts und zur Entfernung

von Mikroorganismen eingesetzt. Überwiegend wird das

Verfahren der Ultrafiltration eingesetzt, welches neben

Keimen auch Viren sicher zurückhält. Membranverfahren

für die Trinkwasseraufbereitung werden hier nicht näher

behandelt. Bestehende Anlagen zur Aufbereitung mit

Membrantechnik sind im Anhang A7 zusammengestellt.

Die Membranverfahren werden je nach Größe bzw. Mol-

masse der abgetrennbaren Stoffe in Mikrofiltration, Ultra-

filtration, Nanofiltration und Umkehrosmose eingeteilt.

Durch die unterschiedlichen Trenngrenzen kann für ver-

schiedenste Aufgabenstellungen ein geeignetes Verfahren

gewählt werden. Bei komplexeren Aufgabenstellungen

können auch Kombinationen mit anderen Verfahren, z. B.

biologischen oder chemischen, oder die Kombination aus

zwei Membranverfahren zur Anwendung kommen.

Membranverfahren in der Abwasserreinigung

Membranverfahren stellen heute für viele Bereiche in der

Abwasserreinigung aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit

und der Möglichkeit, Kosten zu sparen, eine bewährte Al-

ternative zu klassischen Verfahren dar.

Die hohe Reinigungsleistung von Membranverfahren, ins-

besondere die Kombination einer Belebungsstufe mit

einer nachgeschalteten Mikro- oder Ultrafiltrationsanlage,

ermöglicht es, die Anforderungen an eine weitergehende

Abwasserreinigung zum Schutz der Gewässer und der Res-

source Grundwasser zu erreichen. Dies ist anderenfalls oft

nur durch eine Kombination verschiedener alternativer

Verfahrensstufen (z. B. Belebungsstufe, konventionelle Fil-

tration, Desinfektion) realisierbar. Fallweise können bei

Einsatz der Membrantechnik gleichzeitig Ver- und Entsor-

gungs- sowie Produktionskosten reduziert werden.

Ziele in der Abwasserreinigung

In der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung

dienen Membranverfahren vorrangig folgenden Zielen:

• Rückhalt

(z. B. von Feststoffen inklusive Biomasse, von Störstof-

fen, von gelösten Stoffen durch Umkehrosmose)

• Reinigung

(z. B. zur Brauchwasseraufbereitung, zur Entkeimung

durch Bakterienrückhalt)

• Aufkonzentration

(z. B. zur Wertstoffrückgewinnung)

• Fraktionierung

(z. B. zur Auftrennung in zwei oder mehrere Kompo-

nenten)

Einführung

Vorteile der Membrantechnik in der

Abwasserreinigung

Die Entwicklung des Membranbelebungsverfahrens mit

getauchten Membranen kann sowohl zur industriellen

als auch zur kommunalen Abwasserreinigung eingesetzt

werden und hat viele Vorteile im Vergleich zu konventio-

nellen Verfahren der Abwasserreinigung (Belebungsstufe,

Nachklärung, Filtration, Desinfektion), die sich auch wirt-

schaftlich auswirken:

• Die Einsparung der Verfahrensstufen Nachklärung,

Sandfiltration, UV-Desinfektion.

• Die sehr kompakte Bauform. Das notwendige Volumen

für die biologische Stufe beträgt im Vergleich zum Bele-

bungsverfahren nur etwa 30 %.

• Die höhere Reinigungsleistung durch den vollständigen

Rückhalt von Partikeln und Bakterien und je nach

Membranverfahren auch Viren.

• Die verbesserte Elimination von organischen Spuren-

stoffen durch ein hohes Schlammalter und die Etablie-

rung spezieller Mikroorganismen.

• Die Möglichkeit, eine weitere Membranstufe als Nano-

filtrations- oder Umkehrosmoseanlage nachzuschalten,

um organische Spurenstoffe und ggf. auch gelöste Stoffe

zurückzuhalten.

Perspektiven

Die Entwicklung und Anwendung der Membrantechnik

im Bereich der Wasser- und Abwasseraufbereitung wird

sich in den nächsten Jahren fortsetzen. Es wird progno-

stiziert, dass der Einsatz von Membranverfahren im Be-

reich der Abwasserreinigung weltweit um ca. 10 – 15 %

und in der Trinkwasseraufbereitung um ca. 20 % jährlich

(inkl. Meerwasserentsalzung) steigt (in Deutschland

bestehende Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung sind in

Anlage 7 zusammengestellt). Durch die fortlaufende Ent-

wicklung von Membranmaterialien und Modulkonstruk-

tionen sowie von Prozessgestaltung und Verfahrenstech-

nik werden immer neue Anwendungsgebiete erschlossen.

Auch unter wirtschaftlichen Aspekten werden Membran-

verfahren im Vergleich zu anderen Abwasserbehandlungs-

bzw. -aufbereitungsverfahren immer interessanter, da die

Wasser- und Abwasserkosten im Allgemeinen steigen und

die spezifischen Membranpreise fallen.

Vor dem Hintergrund möglicher steigender Anforderun-

gen an die Abwasserreinigung steigt die Attraktivität des

Membranbelebungsverfahrens (Mikro- oder Ultrafiltration)

in Kombination mit einer nachgeschalteten Nanofiltra-

tions- bzw. Umkehrosmoseanlage. Das hohe erreichbare

Schlammalter und die nachgeschaltete Membranstufe

ermöglichen auch die Elimination organischer Spuren-

stoffe.

Aufbau und Inhalte dieser Publikation

Die vorliegende Publikation gibt einen Überblick über den

gegenwärtigen Einsatz von Membranverfahren in der kom-

munalen und industriellen Abwasserreinigung, insbeson-

dere in Deutschland. Die Entwicklung dauert jedoch an,

wobei sich die Anwendungsmöglichkeiten fortlaufend

erweitern.

Mit dieser Veröffentlichung werden sowohl die Fachkraft

als auch der Fachlaie angesprochen. Es handelt sich weni-

ger um ein umfassendes Lehr- und Handbuch oder ein

Regelwerk zur Lösung aller Fragen bezüglich Auslegung,

Bau und Betrieb einer Membrananlage als vielmehr um

ein Instrument, welches den Leser für diese Fragen sensi-

bilisiert und Lösungsansätze aufzeigt. Der Bezug zur Praxis

und die Relevanz der Membrantechnik für die Abwasser-

reinigung werden durch die beschriebenen Beispielanlagen

für die kommunale und industrielle Abwasserreinigung

in Deutschland und außerhalb Deutschlands deutlich.

Die Standorte der in dieser Publikation beschriebenen

Anlagen sind in der folgenden Abbildung eingetragen.

22

Einführung

23

Standorte der Abwasserreinigungsanlagen mit Membrantechnik in Deutschland, die in dieser Publikation

beschrieben sind

! kommunale Anlagen mit Mikrofiltration

! kommunale Anlagen mit Ultrafiltration

Industrieanlagen mit Mikrofiltration

Industrieanlagen mit Ultrafiltration

Industrieanlagen mit Nanofiltration

Industrieanlagen mit Umkehrosmose

oder der Kombination UF/UO

Industrieanlagen mit der Kombination

UF/NF

Industrieanlagen mit der Kombination

MF/UF/NF/UO

Einführung

24

Die vorliegende Publikation ist inhaltlich in mehrere Teil-

kapitel gegliedert, die jeweils eine abgeschlossene Einheit

darstellen. Sie können daher unabhängig voneinander

gelesen werden und ermöglichen dem Leser, sich entspre-

chend seines Interessensschwerpunkts zu orientieren. Die

folgende Übersicht fasst die Inhalte der einzelnen Kapitel

kurz zusammen und weist dem Leser den Weg durch diese

Publikation.

Anhang: Kontakte, Fördermöglichkeiten

Einführung

Kapitel 1: Grundlagen

Kapitel 2:Kommunale Abwasserreinigung

Kapitel 3:Industrielle Abwasserreinigung

Kapitel 4: Richtlinien und Normen

Membrantechnik in der Abwasserreinigung

Aufbau und Inhalte dieser Publikation

Grundlagen der Membrantechnik 1

Grundlagen der Membrantechnik1

1.1

Grundlagen der Stofftrennung mittels

Membrantechnik

Die Stofftrennung mittels Membrantechnik ist ein physika-

lisches Trennverfahren. Im Vergleich zu anderen Separa-

tionstechniken hat diese Technik den Vorteil, dass die ab-

getrennten Stoffe weder thermisch noch chemisch oder

biologisch verändert werden. Die Anwendungsgebiete von

Membranverfahren reichen von der einfachen Feststofffil-

tration, wie z. B. der Abtrennung von belebtem Schlamm

bei der kommunalen Abwasserbehandlung, bis zur Abtren-

nung von Stoffen im molekularen Bereich, wie z. B. dem

Rückhalt von gelösten Salzen bei der Meerwasserentsalzung.

Das Funktionsprinzip einer Membran kann im weitesten

Sinne wie das eines Filters beschrieben werden. Wie Ab-

bildung 1-1 beispielhaft zeigt, wird ein zu trennendes

Stoffgemisch, genannt Feed bzw. Rohlösung (z. B. Rohab-

wasser) durch die Membran selektiert. Der Teil, welcher

die Membran nahezu ungehindert passiert, wird als Per-

meat bzw. Filtrat bezeichnet und stellt in der Abwasser-

reinigung die aufbereitete Phase dar. Der durch die Mem-

bran zurückgehaltene Anteil ist das Retentat bzw. Kon-

zentrat.

Die treibende Kraft für den Trennprozess ist die Druckdif-

ferenz zwischen Feed- und Permeatseite, die sogenannte

transmembrane Druckdifferenz bzw. der Transmem-

brandruck. Dieser wird durch einen feedseitigen Überdruck

oder einen permeatseitigen Unterdruck aufgebracht. Je

nach eingesetzter Membran liegt der Transmembrandruck

zwischen 0,1 bar und 70 bar, in Sonderfällen beträgt er

bis zu 120 bar.

Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit

eines Membranprozesses sind die Eigenschaften Selekti-

vität und Leistungsfähigkeit. Die Selektivität beschreibt

die Fähigkeit einer Membran, zwischen den Komponen-

ten einer Mischung zu unterscheiden und somit die eine

Phase von der anderen zu trennen. Unter der Leistungs-

fähigkeit einer Membran ist der Fluss unter bestimmten

Betriebsbedingungen zu verstehen. Der Fluss ist als der

auf die Fläche bezogene Volumenstrom definiert (Einheit:

l/(m2 � h)).

26

Kleine PartikelGroße Partikel

Rohlösung,Abwasser, Feed

Rententat,Konzentrat

Membran Permeat, Filtrat

Abb. 1-1

Funktionsweise von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen


Die Durchlässigkeit einer Membran wird durch die Kenn-

größe Permeabilität beschrieben. Sie ist definiert als

der Quotient aus Fluss und zugehörigem Transmembran-

druck (Einheit: l/(m2 � h � bar)). Die Permeabilität einer

Membran wird vom Membranzustand und den Filtrations-

eigenschaften des Abwassers beeinflusst (siehe Kapitel 1.7).

Letztere hängen von der stofflichen Zusammensetzung

und den Eigenschaften des Abwassergemisches wie z. B.

Temperatur, Partikelgrößenverteilung und Viskosität ab.

1.2

Membranverfahren in der Abwasserreinigung

Es gibt verschiedene Membranverfahren, die sich durch

ihre Trenngrenze und die aufzuwendende Triebkraft unter-

scheiden. Der Einsatz eines Verfahrens hängt von der Ab-

wasserzusammensetzung und dem Trennziel ab.

Das Trennziel in der kommunalen Abwasserreinigung ist

vor allem die Abtrennung des gereinigten Abwassers von

der Biomasse, um die Einleiteanforderungen zu erreichen.

In einem Industriebetrieb bietet sich der Einsatz eines Mem-

branverfahrens zur Abwasserreinigung insbesondere an,

wenn eine sinnvolle Integration in den Produktionsprozess

möglich ist. Neben der Reinigung des Abwasserstroms wird

häufig auch eine Wiederverwendung des Permeats und teil-

weise auch des Konzentrats angestrebt, so dass diese dem

Produktionsprozess erneut zugeführt werden können.

In der kommunalen Abwasserreinigung werden die Mem-

branverfahren Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration

(UF) eingesetzt. Für die industrielle Abwasserreinigung

sind neben der MF und UF auch die Nanofiltration (NF)

und Umkehrosmose (UO oder RO1) ) von Bedeutung. Diese

vier Verfahren werden daher im Folgenden beschrieben.

In Abbildung 1-2 ist die Größenordnung der Stoffe ange-

geben, welche mit den Membranverfahren Mikrofiltra-

tion (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und

Umkehrosmose (UO bzw. RO) abgetrennt werden können.

Die Größe einiger Abwasserinhaltstoffe und die Porenweite

der eingesetzten Membranen sind in Abbildung 1-3 ver-

anschaulicht.1) Aus dem Englischen „reverse osmosis“

27

Nanofiltration

Mikrofiltration Ultrafiltration

Umkehrosmose

Filtration

ungefähre Größe[µm] Log Skala

Molekulargewicht[g/mol] oder [Dalton]keine Skala

Belebtschlammflocken

Organ. Säuren

Diclofenac •

Biophenol A •Nonylphenol •

Benzo-a-pyren •EDTA •

Saccharrose •Amoxillin •

Quecksilber •Simazin •

Glycin •Salz (NaCl) •Essigsäure •

Phenol •

Poliomyelitis-Virus •

Influenza-Virus •

Herpes-Virus •Bacillus subtillis •

Escherichia coli •

Mumps-Virus •

100 10 1 0,1 0,01 0,001

200.000 20.000 2001.000.000 10.000100.000500.000

Bakterien Viren

Abb. 1-2

Darstellung der unterschiedlichen Einsatzbereiche von Membranverfahren


28

Mem

bra

n

TypischePorenweite:0,4 µm

UltrafiltrationPorenweite: 0,005 – 0,1 µm

MikrofiltrationPorenweite: 0,1 – 5 µm

Mem

bra

n


Mehrwertiges Ion

niedermolekulareorganische Substanzen

Einwertiges Ion

Influenza-Virus

hochmolekulareorganische Substanzen

Belebtschlammflocken

Escherichia coli

Abb. 1-3

Größe typischer Abwasserinhaltsstoffe und Porengröße eingesetzter Membranen

Eine Übersicht der vorgestellten Membranverfahren mit

Triebkraft und Anwendungsfeldern zeigt Tabelle 1-1. Aus-

führlichere Angaben zu den einzelnen Verfahren werden

in den folgenden Abschnitten 1.2.1 bis 1.2.3 gegeben.

Für den Stofftransport in Membranen sind im Wesentli-

chen zwei Mechanismen verantwortlich: der Transport

durch Poren und der Transport aufgrund von Diffusion.

In realen Membranen können beide Transportarten neben-

einander vorkommen, jedoch erfolgt die Einteilung der

Membranen idealisiert in:

• reine Porenmembranen („poröse“ Membranen) und

• reine Lösungs-Diffusions-Membranen (LDM) („dichte“

Membranen)

Bei den Porenmembranen (MF, UF) ist die Trennung

auf einen Siebeffekt zurückzuführen, während bei den

Lösungs-Diffusions-Membranen (NF, RO) die unterschied-

liche Löslichkeit und Diffusivität für die Selektivität ver-

antwortlich sind [RAUTENBACH 1997].

Der Konzentrationsverlauf einer abzutrennenden Kompo-

nente über die Membran ist für eine Porenmembran

und eine Lösungs-Diffusion-Membran in Abbildung 1-4

idealisiert dargestellt. Bei der Porenmembran wird die ab-

zutrennende Komponente allein aufgrund ihrer Größe

von der Membran zurückgehalten. Im Konzentrationsver-

lauf ist eine scharfe Trennung an der Membranoberfläche

zu erkennen. Die Konzentration der abzutrennenden Kom-

ponente im Feed sinkt bereits mit Eintritt in die Membran

bis auf die Konzentration im Permeat ab.

Bei einer Lösungs-Diffusions-Membran (LD-Mem-

bran) hingegen findet aufgrund der Transportmechanis-

men eine Abnahme der Konzentration auch innerhalb

der Membran statt.


29

NanofiltrationPorenweite: 0,001 – 0,01 µm

UmkehrosmosePorenweite: 0,0001 – 0,001 µm

Mem

bra

n


Mem

bra

n


Mikrofiltration flüssig/fest Druckdifferenz 0,1 – 3 bar Abtrennung von Feststoffen aus Suspensionen

Ultrafiltration flüssig/flüssig Druckdifferenz 0,5 – 10 bar Abtrennung makromolekularer bzw. kolloidal gelöster Stoffe, Entkeimung

Nanofiltration flüssig/flüssig Druckdifferenz 2 – 40 bar Abtrennung von gelösten organischen Molekülen und

mehrwertigen anorganischen Ionen

Umkehrosmose flüssig/flüssig Druckdifferenz 5 – 70 bar Abtrennung organischer Moleküle und aller Ionen

in Sonderfällen bis 120 bar

Tab. 1-1

Druckgetriebene Membranverfahren in der Abwasserreinigung

Membranverfahren Phasentrennung Triebkraft Anwendung

Feed-seite

WiF

WiP

Permeat-seite

Permeat-seite

Feed-seite

WiP

WiF

Porenmembran Lösungs-Diffusions-Membran (LDM)

WiF Konzentration der abzutrennendenAbwasserinhaltsstoffe im Feed

WiP Konzentration der Abwasserinhalts-stoffe im Permeat

Abb. 1-4

Idealisierte Darstellung einer Poren- und einer Lösungs-Diffusions-Membran [nach MELIN 1999]

1.2.1 MF UF

Mikro- und Ultrafiltration

Die Mikrofiltration (MF) und die Ultrafiltration (UF) ge-

hören zu den druckgetriebenen Membranverfahren und

sind bezüglich Betriebsdruck und Trenngrenze zwischen

der Nanofiltration und der Filtration (z. B. Sandfiltration)

einzuordnen. Die Trennmechanismen der MF- und UF-

Membranen sind sehr ähnlich und die Einsatzbereiche

können sich stark überschneiden (Abbildung 1-2), so dass

sie in diesem Kapitel gemeinsam beschrieben werden.

Entsprechend dem Prinzip eines porösen Filters wer-

den bei der MF und UF alle Partikel vollständig zurückge-

halten, die größer als die Membranporen sind. Die zurück-

gehaltenen Partikel können auf der Membranoberfläche

eine Deckschicht aufbauen. Durch diese werden dann auch

kleinere Partikel zurückgehalten, die ohne Deckschicht

die Membran passieren würden (deckschichtkontrollierter

Prozess).

In Tabelle 1-2 sind die typischen Charakteristika der Mikro-

und Ultrafiltration zusammengefasst.

In der Abwasserreinigung werden die Mikro- und Ultrafil-

tration zur Abtrennung und zum Rückhalt von partikulä-

ren und emulgierten Abwasserinhaltsstoffen genutzt.

Anwendungsbeispiele sind:

Kommunale Abwasserreinigung

• Trennung von Belebtschlamm und Wasser

• Entkeimung

• Vorreinigung für eine Umkehrosmose-Anlage

• Phosphatentfernung nach Fällung

Industrielle Abwasserreinigung

• Abwasserrecycling und Wiedereinsatz als Brauchwasser

für verschiedene Zwecke

• Sickerwasseraufbereitung in Kombination mit einer

biologischen Stufe

• Rückgewinnung von Wasserlack aus Spritzkabinenwas-

ser durch Aufkonzentrierung

• z. B. in der Metall verarbeitenden Industrie:

· Standzeitverlängerung von Elektrotauchlackbädern

· Aufkonzentrierung von Wasser/Öl-Emulsionen

· Aufarbeitung von Entfettungsbädern


30

Tab. 1-2

Typische Kennzeichen der Mikro- und Ultrafiltration

Mikrofiltration (MF) Ultrafiltration (UF)

Betriebsart (siehe Kapitel 1.6) Crossflow- u. Dead-End-Betrieb Crossflow- u. Dead-End-Betrieb

Betriebsdruck 0,1 – 3 bar (transmembran) 0,5 – 10 bar (transmembran)

Trennmechanismus Siebung ggf. deckschichtkontrolliert Siebung ggf. deckschichtkontrolliert

Trenngrenze Feststoffe > 0,1 µm (siehe Abbildung 1-2) kolloidal gelöste Stoffe: 20.000 – 200.000 Dalton*,

Feststoffe > 0,005 µm (siehe Abbildung 1-2)

Membrantypen überwiegend symmetrische Polymer- oder asymmetrische Polymer-, Komposit- oder

Keramikmembranen (siehe Kapitel 1.3) Keramikmembranen (siehe Kapitel 1.3)

Modultypen Wickel-, Hohlfaser- und Rohrmodule, Wickel-, Hohlfaser- und Rohrmodule,

Platten- und Kissenmodule Platten- und Kissenmodule

* numerisch äquivalent zum Molekulargewicht (MW) in [g/mol]

1.2.2 NF


31

Nanofiltration

Die Nanofiltration (NF) ist ein druckgetriebenes Mem-

branverfahren und wird bevorzugt zur Aufbereitung wäss-

riger Lösungen eingesetzt. Die Nanofiltration ist bezüg-

lich Betriebsdruck und Trenngrenze zwischen der Umkehr-

osmose und der Ultrafiltration einzuordnen. Mittels NF-

Membranen wird ein hoher Rückhalt von Partikeln

erreicht, deren Molmasse größer als 200 g/mol ist, was

einem Moleküldurchmesser von ca. 1 nm entspricht.

Charakteristisch für NF-Membranen ist ihre Ionenselek-

tivität. Der Rückhalt eines gelösten Salzes wird durch

die Wertigkeit des Anions bestimmt. So können Salze mit

einwertigen Anionen (z. B. Cl-) die Membran in hohem

Maße passieren, wohingegen mehrwertige Anionen (z. B.

SO42-) zurückgehalten werden [RAUTENBACH 1997]. In

Tabelle 1-3 sind typische Kennzeichen der Nanofiltration

dargestellt.

Die Nanofiltration findet in der kommunalen Abwasser-

reinigung bislang keine Anwendung.


• Entlastung von Ionentauschern oder nachgeschalteten

Umkehrosmose-Einheiten

• Entfärbung von Abwässern der Textil- und Zellstoff-

industrie

• Entsalzung von tensidhaltigem Abwasser

Allgemein:

• Rückhalt mehrwertiger Ionen (z. B. SO42-, Cd2+, Cr2+)

bei Permeation einwertiger Ionen (z. B. Cl-, Na+)

• Rückhalt organischer Verbindungen

• Trennung von nieder- und höhermolekularen Inhalts-

stoffen in wässrigen Lösungen

Tab. 1-3

Typische Kennzeichen der Nanofiltration

Nanofiltration

Betriebsart (siehe Kapitel 1.6) Crossflow-Betrieb

Betriebsdruck 2 – 40 bar (transmembran)

Trennmechanismus Löslichkeit/Diffusion/Ladung (Ionenselektivität)

Trenngrenze gelöste Stoffe: 200 – 20.000 Dalton* Feststoffe > 0,001 µm (siehe Abbildung 1-2)

Membrantypen asymmetrische Polymer- oder Kompositmembran (siehe Kapitel 1.3)

Modultypen Wickel-, Rohr-, Kissenmodule


1.2.3 UO


Umkehrosmose

Die Umkehrosmose (RO)2) dient zur Trennung der Kom-

ponenten einer Lösung und beruht auf einem druckbe-

triebenen Prozess, wobei die Triebkraft aus der Differenz

des elektrochemischen Potenzials zu beiden Seiten der

Membran resultiert. Die porenfreien RO-Membranen

können gelöste Inhaltsstoffe mit einem Molekulargewicht

von weniger als 200 g/mol vollständig zurückhalten, so

dass die Umkehrosmose eine höhere Trennleistung als

die Nanofiltration erzielt. Aufgrund des sehr guten Rück-

haltevermögens gelöster Salze stellt die RO seit lan-

gem ein bewährtes Membranverfahren dar und ist bei-

spielsweise in der Meer- und Brackwasserentsalzung

bereits Stand der Technik. In Tabelle 1-4 sind typische

Kennzeichen der Umkehrosmose zusammengestellt.

Die Umkehrosmose hat in der kommunalen Abwasserrei-

nigung keine Bedeutung. Anwendungsmöglichkeiten

sind [RAUTENBACH 1997]:


• Aufkonzentrierung von CaSO4-haltigem Minen-

drainagewasser

• Entwässerung fotografischer Spülwässer zur Rück-

gewinnung von Silber

• Reinigung von Textilfärbeabwasser

(Baumwoll-Polyesterfärbung)

• Konzentrierung von Zellstoffwaschwasser

• Rückgewinnung von Phosphorsäure

• Reinigung von Bleichereiabwässern

• Reinigung von Deponiesickerwasser

32

Tab. 1-4

Typische Kennzeichen der Umkehrosmose

Umkehrosmose (RO)

Betriebsart (siehe Kapitel 1.6) Crossflow-Betrieb

Betriebsdruck 5 – 70 bar (transmembran), in Sonderfällen bis 120 bar

Trennmechanismus Löslichkeit/Diffusion

Trenngrenze gelöste Stoffe < 200 Dalton* (siehe Abbildung 1-2)

Membrantypen asymmetrische Polymer- oder Kompositmembran (siehe Kapitel 1.3)

Modultypen Wickel-, Rohr-, Platten-, Kissen- oder Scheiben-Rohrmodule


2) Aus dem Engl. „reverse osmosis“


33

1.3

Membranmaterialien, -aufbau und -klassifizierung

Membranen werden anhand verschiedener Merkmale

klassifiziert (Abbildung 1-5), die im Folgenden kurz erläu-

tert werden:

• Herkunft

• Werkstoff

• Morphologie und Struktur

• Herstellungsverfahren

Je nach Abwasserzusammensetzung und -eigenschaften

sowie betrieblich bedingten Beanspruchungen werden für

die Membranen verschiedene Werkstoffe eingesetzt.

Membranwerkstoffe sind organisch (z. B. Cellulose-, Poly-

mermembranen) oder anorganisch (z. B. Keramikmem-

branen).

1.3.1

Herkunft und Werkstoffe

Es gibt Membranen biologischer und synthetischer Her-

kunft, die sich hinsichtlich Struktur, Funktionalität und

Stofftransport unterscheiden. Während biologische Mem-

branen, wie z. B. Zellmembranen, für die menschliche

und tierische Existenz unverzichtbar sind, werden in der

Abwasserreinigung ausschließlich synthetische, feste

Membranen eingesetzt.

Membran

synthetisch

fest

anorganisch

nicht porös

biologischHerkunft

flüssig

organisch

porös porös

Werkstoff

Morphologie

Abb. 1-5

Klassifizierung von Membranen [nach RAUTENBACH 1997]

Organische Membranen

Synthetische Polymermembranen sind derzeit dominie-

rend, da aus der existierenden Vielzahl synthetischer

Polymere ein für das spezifische Trennproblem geeignetes

Polymer ausgewählt werden kann und Polymermembra-

nen im Kostenvergleich mit anderen Materialien oft gün-

stiger abschneiden.

Für die Abtrennung eines Inhaltsstoffs sind die Struktur-

eigenschaften der verwendeten Polymere, wie thermische,

chemische und mechanische Beständigkeit, und die Per-

meabilität ausschlaggebend. Beispiele für organische

Polymermembranen sind Polysulfon- (PS), Polyacrylnitril-

(PAN), Polyethersulfon- (PES), Polypropylen- (PP), Polyvi-

nylidenfluorid- (PVDF), Zelluloseacetat- (CA) und Poly-

amid- (PA) -Membranen.

Anorganische Membranen

Anorganische Membranen haben in der jüngsten Vergan-

genheit vermehrt an Bedeutung gewonnen. Sie werden

vor allem eingesetzt, wenn die Eigenschaften des aufzu-

bereitenden Rohabwassers den Einsatz von Polymermem-

branen ausschließen oder organische Membranflächen

aufgrund der Abwasserzusammensetzung häufig und in-

tensiv gereinigt werden müssen.

Anorganische Werkstoffe für Membranen sind Keramik,

Aluminium, Edelstahl, Glas und faserverstärkter Kohlen-

stoff, von denen die keramischen Membranen zur Zeit

die größte Bedeutung in der Abwasserreinigung haben.

Die Vorteile der keramischen gegenüber organischen Mem-

branen sind die hohe Temperatur- und chemische Bestän-

digkeit, die entsprechend gute Regenerierbarkeit sowie

eine geringere Alterung und lange Standzeiten. Als Nach-

teile sind vor allem die höheren Investitionen bedingt

durch den Membranwerkstoff und die zum Teil aufwän-

digeren Modulkonstruktionen zu nennen.

1.3.2

Morphologie, Struktur und Herstellung

Hinsichtlich der Morphologie von Membranen wird zwi-

schen Porenmembranen und Lösungs-Diffusions-Mem-

branen unterschieden (siehe Abbildung 1-5 und Abschnitt

1.2). Bei anorganischen Membranen handelt es sich im-

mer um Porenmembranen.

Die Struktur einer Membran kann symmetrisch oder

asymmetrisch sein. Während symmetrische Membranen

über die Membrandicke annähernd homogen aufgebaut

sind, bestehen asymmetrische Membranen aus zwei

Schichten.

Die feedseitige Schicht (aktive Schicht) bestimmt das

Trennverhalten der Membran, während die darunter lie-

gende poröse Stützschicht als Träger dient. Die Stützschicht

sorgt für die mechanische Stabilität der Membran und be-

hindert den Permeatfluss nur vergleichsweise wenig. Ziel

der asymmetrischen Membrangestaltung ist es, die aktive

Schicht möglichst dünn und damit den Filtrationswider-

stand der Membran möglichst gering zu halten. Bei Lö-

sungs-Diffusions-Membranen können hierdurch 50- bis

100-fach höhere Flüsse als bei vergleichbaren symmetri-

schen Membranen erzielt werden [MELIN 1999].

Die Herstellung asymmetrischer organischer Membranen

erfolgt heute meist als Phaseninversions- oder Komposit-

membranen. Bei den Phaseninversionsmembranen sind

die aktive Schicht und die Stützschicht aus demselben

Material. Hingegen bestehen bei Kompositmembranen

die aktive Schicht und die Stützschicht aus verschiedenen

Materialien, so dass hierdurch beide Schichten auf die

jeweils geforderten Eigenschaften hin optimiert werden

können. Abbildung 1-6 zeigt rasterelektronenmikroskopi-

sche (REM-) Aufnahmen von Phaseninversionsmembra-

nen (a), (b) sowie von einer Kompositmembran (c). In

Abbildung 1-7 und Abbildung 1-8 ist die aktive Schicht

einer Polyethylen-Membran in verschiedenen Auflösun-

gen dargestellt.


34


35

Abb. 1-7

Draufsicht auf die aktive Schicht einer Polyethylen-

Membran (MF/UF) [AGGERVERBAND 2002]

Abb. 1-8

Draufsicht auf die Bruchkante einer Polyethylen-

Membran (MF/UF), sichtbar ist die aktive Schicht

[AGGERVERBAND 2002]

Denitri-fikation

Symmetri-sche Mem-branschicht

200 µm

Symmetrische Polymer-Membran (MF) [N.N. 2002a]

AktiveSchicht

Stütz-schicht

7 µm

Asymmetrische Kompositmembran (RO)[FRIMMEL, GORENFLO 2000]

AktiveSchicht

Stütz-schicht

7 µm

Asymmetrische Polymer-Phaseninversionsmebran(UF) [N.N. 2001a]

Abb. 1-6

REM-Aufnahmen von Schnitten verschiedener

Membranen


1.4

Membranformen und -module

In Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren werden zwei

Grundformen von Membranen unterschieden:

• rohrförmige Membranen und

• flache Membranen

Diese Membranen werden technisch zu einer anschluss-

fähigen Einheit, dem Modul, angeordnet. Das Modul ist

neben der Membran selbst von entscheidender Bedeutung

für die Leistungsfähigkeit einer Membranstufe. Es existiert

eine Vielzahl unterschiedlicher Modulkonstruktionen, da

die Module in Abhängigkeit vom Einsatzzweck konstruk-

tiv an die Anforderungen angepasst sind. Die herstellungs-

bedingten Membrangrundformen sind den in Abbildung

1-9 dargestellten Modulformen zugeordnet. In einigen

Sonderfällen ist diese strikte Zuordnung nicht zulässig,

z. B. wenn einige in Rohrmodulen eingesetzte Membranen

durch die rohrförmige Verarbeitung von flachen Membra-

nen hergestellt wurden. Für die rohrförmigen Membranen

können als Modulkonstruktionen das Rohr-, Kapillar- und

Hohlfasermodul sowie für die flachen Membranen das

Platten-, Wickel-, Kissen- und Rohrscheibenmodul unter-

schieden werden.

Die verschiedenen Modulformen lassen sich hinsichtlich

der Anordnung der Trennschicht, der Packungsdichte und

bei den rohrförmigen Membranen hinsichtlich der Durch-

messer (freier Fließquerschnitt) charakterisieren (Tabelle 1-5,

Tabelle 1-6). Bedingt durch die unterschiedlichen Leis-

tungs- und Betriebseigenschaften (z. B. Betriebsart, Ver-

stopfungsneigung, Rückspülbarkeit usw.) und die flächen-

spezifischen Modulkosten werden in Abhängigkeit vom

zu behandelnden Abwasser bestimmte Modultypen bevor-

zugt eingesetzt. Voraussetzung für die Modulauswahl ist

in jedem Fall die Auswahl des für das Trennproblem ge-

eigneten Membranverfahrens bzw. der geeigneten Mem-

bran. Welche Modultypen bei den verschiedenen Mem-

branverfahren eingesetzt werden, ist Tabelle 1-2 (für MF

und UF), Tabelle 1-3 (für NF) und Tabelle 1-4 (für RO) zu

entnehmen.

36

Membranform

Modulform

rohrförmig flach

Rohrmodul

Kapillarmodul

Hohlfasermodul

Wickelmodul

Kissenmodul

Plattenmodul

Scheiben-Rohr-Modul

Abb. 1-9

Membran- und Modulformen


In den Abbildungen werden beispielhaft gängige Modul-

formen, die vor allem in der industriellen Abwasserreini-

gung eingesetzt werden, anhand von Bildern bzw. Sche-

mata erläutert. Weitere Beispiele und Erläuterungen zu

den z. B. in der kommunalen Abwasserreinigung einge-

setzten Platten- und Kapillarmodulen werden in Kapitel

2.1.2 gegeben.

37

Tab. 1-5

Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit rohrförmigen Membranen

Rohrförmige Membranen

Rohrmodul Kapillarmodul Hohlfasermodul

Anordnung der innen außen/innen außen/innen

Trennschicht

Innnendurchmesser 5,5 ... 25 mm 0,25 ... 5,5 mm 0,04 ... 0,25 mm

Packungsdichte < 80 m2/m3 < 1.000 m2/m3 < 10.000 m2/m3

Betriebsart Crossflow Dead-End/Crossflow Dead-End

Vorteile geringe Empfindlichkeit hohe Packungsdichte extrem hohe Packungsdichte

gegen Verstopfung kostengünstige Fertigung günstige spezifische Membrankosten

geringer Druckverlust Rückspülung permeatseitig möglich hohe Druckstabilität

deckschichtkontrollierter

Betrieb möglich

Nachteile geringe Packungsdichte geringe Druckfestigkeit empfindlich gegen Verstopfungen

Druckverlust

Tab. 1-6

Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit flachen Membranen

Flache Membranen

Plattenmodul Wickelmodul Kissenmodul

Anordnung der außen außen außen

Trennschicht

Packungsdichte 40 ... 100 m2/m3 < 1.000 m2/m3 ca. 400 m2/m3

Betriebsart Crossflow Dead-End/Crossflow Dead-End/Crossflow

Vorteile Membranen einzeln auswechselbar kostengünstige Fertigung geringe permeatseitige Druckverluste

geringe Verstopfungsempfindlichkeit wenige Dichtungen geringe Empfindlichkeit gegen

hohe Packungsdichte Verschmutzung

Nachteile viele Dichtungen langer permeatseitiger Strömungsweg geringe Packungsdichte

geringe Packungsdichte keine mechanische Reinigungs- viele Dichtungen

möglichkeit

verstopfungsgefährdet


Rohrmodule

Innerhalb eines Mantel- bzw. Druckrohrs werden zumeist

mehrere perforierte bzw. permeatdurchlässige Stützrohre

kleineren Durchmessers zusammengefasst, auf deren In-

nenseite die rohrförmige Membranschicht aufgebracht ist.

Der Feed wird durch diese Rohre gepumpt, im Außen-

raum zwischen Druckrohr und Stützrohren gesammelt und

an einem Stutzen am Druckrohr abgezogen.

38

PermeatsammlerPermeat

Zustrom

Anschluss-gewinde

DichtungsringMembran-Stützrohr

Membran

Retentat

Feed

Permeat

Abb. 1-10

Rohrmodule [Foto: WEHRLE WERK AG]


39

Kapillarmodule bzw. Hohlfasermodule

Eine Vielzahl von Kapillar- bzw. Hohlfasermembranen

werden in einem Druckrohr zu einem Modul zusammen-

gefasst. Ähnlich wie bei den mehrkanaligen Rohrmodulen

können die Kapillare bzw. Fasern an den Stirnseiten mit

dem Feedstrom beschickt werden, so dass von innen nach

außen filtriert wird.

Darüber hinaus gibt es eine andere Bauweise, bei der

außenbeschichtete Membrankapillare/-fasern eingesetzt

werden. Es wird hier von außen nach innen filtriert und

das Permeat wird auf der Innenseite der Kapillare/Fasern

abgezogen.

Weitere Kapillarmodulbauformen werden in Kapitel 2.1.2

beschrieben.

Hohlfaser

Feed innenseitig

Permeat

Feed außenseitig

Feed

Permeat Feed

Feed Permeat

Druckrohr Verklebung (Harz)

Abb. 1-11

Kapillar- bzw. Hohlfasermodule [Foto: KOCH MEMBRANE SYSTEMS]


40

Wickelmodule

Beim (Spiral-) Wickelmodul werden ein oder mehrere

Membrantaschen mit je einem Abstandshalter (Feedspacer)

spiralförmig um das Permeatsammelrohr gewickelt. Die

Membrantaschen sind an drei Seiten geschlossen, an der

offenen Seite sind die Taschen an das perforierte Permeat-

sammelrohr angeschlossen. Das Innere der Membran-

taschen ist mit einem porösen Kunststoffgewirk (Permeat-

spacer) ausgefüllt, das die Permeatströmung zwischen

den Membranen ermöglicht. Das durch die Wicklung

entstehende zylindrische Modul wird an den Stirnseiten

mit dem Feedstrom beaufschlagt, der das Modul in axialer

Richtung durchströmt. Während der Feedstrom den

durch die Feedspacer entstehenden Raum außerhalb der

Membrantaschen durchströmt, fließt das abgezogene Per-

meat innerhalb der Membrantaschen spiralförmig dem

Permeatsammelrohr zu.

feedspacer

Feedstrom

Zentralrohr

Membran

Permeat imPermeatkanal

Permeatspacer

Permeat-strom imZentralrohr

Abb. 1-12

Wickelmodule Prinzipskizze [N.N. 2001], [Foto: NADIR FILTRATION GMBH]


41

Kissenmodule

Kissenmodule werden analog zu Wickelmodulen aus Mem-

brantaschen mit dazwischenliegendem Gewebevlies auf-

gebaut. Hier sind die Taschen an allen Seiten verschlos-

sen und das Permeat wird über eine bzw. mehrere mit

Runddichtungen versehene Öffnungen im Kissen abge-

zogen.

Gemäß der Abbildung können mehrere Kissen über die

Permeatöffnungen miteinander verbunden werden. Die

Kissenpakete werden dann in ein modular aufgebautes

Druckrohr eingesetzt. In deren Wandung befindet sich

die Permeatsammelleitung mit Anschlüssen und Dich-

tungen für die entsprechenden Permeatöffnungen der

Kissenpakete sowie für die sich anschließenden Kompo-

nenten des Druckrohrs.

Permeat-Drainagestift

Membran-kissenstapel

Permeatkanal (Permeatableitung)

Druckrohr

Halbschalen-element

Distanzhalter

Rohwasser

Membran

PermeatseitigesDrainagevlies

Trägerplatte


Permeat-kanal

Distanzhalter1 bis 3 mm

(variable Kanalhöhe)

Membran


Abb. 1-13

Kissenmodul [Prinzipskizze und Foto: ROCHEM UF SYSTEME GMBH]


42

Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul – disc tube module)

Bei dem Scheiben-Rohr-Modul (Abbildung 1-14) sind Trä-

gerscheiben und Membrankissen abwechselnd über einen

Zuganker aufeinandergestapelt, so dass zwischen den Trä-

gerscheiben und den eingeschobenen Membrankissen

rohwasserseitig offene Strömungskanäle entstehen. Die

Trägerscheiben des DT-Moduls haben am äußeren Rand

einen beidseitig gleichmäßig überstehenden Dichtungs-

ring. Zentrisch angeordnet sind ein durch Rippen ausge-

bildeter Ringspalt, durch den im Betrieb das Rohwasser

strömt, eine Dichtungsnut zur Abdichtung zwischen Mem-

brankissen und Trägerscheiben und eine Aussparung für

die Durchführung des Zugankers mit Permeat-Ablaufnuten.

Die Membrankissen bestehen aus Flachmembranen mit

innenliegendem Gewebevlies und sind im Außenbereich

verschweißt. Über die runde Aussparung in der Mitte

wird das Permeat abgeleitet.

Der vormontierte Membranelement-Stapel wird in ein

Druckrohr eingeschoben. Das Rohwasser wird zwischen

der Druckrohrinnenwand und den Dichtungsringen am

Rand der Trägerscheiben zum Ringspalt in der ersten Trä-

gerscheibe des Membranelement-Stapels geleitet und von

außen nach innen durch die Membrankissen filtriert.

Über die runde Aussparung in der Mitte der Membran-

kissen, die Ablaufnuten in den Trägerplatten und eine

Bohrung im Endstück des Membranstapels wird das Per-

meat abgeleitet. Die offenen Ringspalten bzw. Strömungs-

pfade zwischen den Membrankissen und den Trägerschei-

ben ermöglichen auch eine Aufbereitung von Flüssigkei-

ten mit höherer Kolloid- oder Feststoffbelastung.

Abb. 1-14

Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul) [PALL 2001]


43

Das Modulsystem der Firma inge AG

Eine weitere Entwicklung ist das Modul der Firma inge

AG mit neuartigen, sogenannten Multibore-Kapillaren.

Wie die Abbildung zeigt, weist bei diesen Kapillaren eine

Kapillare sieben Bohrungen auf, die in etwa den Innen-

durchmesser herkömmlicher Einzelkapillaren besitzen.

Dadurch wird die mechanische Festigkeit der Membran-

kapillaren erhöht und es kommt seltener zu Kapillarbrü-

chen als bei Einzelkapillaren.

Die Multibore-Kapillaren werden nach dem Out-In-Prin-

zip betrieben, d. h. von ihrer Innenseite mit dem zu fil-

trierenden Rohwasser beaufschlagt. Dadurch sind sie ähn-

lich den innendurchströmten Einzelkapillarmodulen aus-

schließlich bei geringen Feststoffgehalten im Rohwasser

einsetzbar. Höhere Feststoffgehalte führen bei innendurch-

strömten Kapillarmembranen mit geringen Feedkanalab-

messungen häufig zu Verblockungserscheinungen. Bevor-

zugter Anwendungsbereich der Multibore-Kapillaren ist

daher die Trinkwasseraufbereitung.

Abb. 1-15

Neuartige Multibore-Kapillaren der Firma inge AG [Foto: INGE AG]


1.5

Anordnung von Modulen

Als Membranstufe wird eine in sich funktionierende

Einheit, bestehend aus Modulen, Pumpen, Ventilen usw.,

bezeichnet. Für die Leistung einer Membranstufe ist neben

der Auswahl einer für das zu trennende Abwassergemisch

geeigneten Membran bzw. eines geeigneten Membranmo-

duls die Anordnung bzw. Verschaltung der Module maß-

gebend (Abbildung 1-16). Dabei sind in der Abwasserrei-

nigung in erster Hinsicht der zu trennende Volumenstrom

und die zu erzielende Permeatqualität bzw. Permeataus-

beute von Bedeutung.

Es werden zwei Grundschaltungsarten von Modulen

unterschieden:

• Reihenschaltung und

• Parallelschaltung

Die Reihenschaltung wird angewendet, falls die Permeat-

ausbeute über einem Modul nicht ausreicht. Mehrere Mo-

dule werden in Reihe geschaltet, wobei gemäß Abbildung

1-17 der Konzentratstrom eines Moduls als Feedstrom des

folgenden Moduls dient und das Permeat der einzelnen

Module zusammengeführt wird.

Bei der Parallelschaltung (Abbildung 1-18) erfolgt eine

Aufteilung des Feedstroms auf die einzelnen parallel ge-

schalteten Module. Die Anzahl der parallel geschalteten

Module richtet sich nach der benötigten Kapazität der

Membranstufe. Die parallel verschalteten Module werden

als Block bezeichnet. Die abwasserspezifische Permeataus-

beute bzw. die Aufkonzentrierung innerhalb eines Blocks

entspricht der Ausbeute bzw. Aufkonzentrierung, die mit

einem Modul erreicht wird.

Während bei der kommunalen Abwasserreinigung die reine

Parallelschaltung dominiert, werden bei der industriellen

Abwasserreinigung oft Kombinationen der Grundschal-

tungsarten eingesetzt, um das gewünschte Reinigungsziel

bzw. die maximale Aufkonzentration zu erreichen:

44

Feed

Konzentrat

Permeat

Abb. 1-17

Reihenschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998]

gewünschteAblaufqualitätFeed

Konzentrat

Membranelement Modul Modulverschaltung Membranstufe

Abb. 1-16

Vom Membranelement zur Membranstufe


45

• Tannenbaumstruktur (Abbildung 1-19)

• Feed-and-Bleed-Struktur

Ein Beispiel für die häufig angewendete Tannenbaum-

struktur (z. B. bei der Meerwasserentsalzung) zeigt Ab-

bildung 1-19. Die Module innerhalb der Blöcke eins und

zwei sind parallel und alle drei Blöcke untereinander in

Reihe verschaltet. Der Konzentratvolumenstrom wird bei

dieser Struktur von Block zu Block weiter aufkonzentriert

bzw. minimiert und die Permeatausbeute entsprechend

gesteigert. Da das Permeat in jedem Block abgezogen

wird, reduziert sich der zu behandelnde Volumenstrom

von Block zu Block. Daher muss die Zahl der benötigten

Module im folgenden Block verringert werden, damit

z. B. bei Rohrmodulen die Überströmbedingungen auch

in den nachgeschalteten Membranelementen den Erfor-

dernissen angepasst sind.

Falls die Tannenbaumstruktur nicht angewendet werden

kann, weil der Feedvolumenstrom geringer ist als für das

eingesetzte Modul notwendig, kommt die Feed-and-

Bleed-Struktur bzw. der Rezirkulationskreislauf inner-

halb jedes Blocks zum Einsatz. Bei dieser Struktur wird

durch Vermischung des gewonnenen Konzentrats mit

einem Teil des Feeds durch interne Rezirkulation der Feed-

volumenstrom erhöht. Mit einem Modul kann hierdurch

eine höhere Aufkonzentration bzw. größere Permeataus-

beute erzielt werden, was z. B. bei der Deponiesickerwas-

serreinigung ausgenutzt wird.

Feed

Konzentrat

Permeat1. Block

2. Block

3. Block

Abb. 1-19

Anordnung von mehreren Modulen nach der Tannenbaumstruktur [nach RAUTENBACH 1997]

Feed Konzentrat

Permeat

Abb. 1-18

Parallelschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998]


1.6

Betriebsarten

Grundsätzlich werden bei den Filtrationsprozessen zwei

Betriebsarten unterschieden:

• Dead-End- bzw. statische Filtration und

• Crossflow- bzw. dynamische Filtration

Die Betriebsart Crossflow wird bei der Nanofiltration

und der Umkehrosmose angewendet, bei der Ultra- und

Mikrofiltration sind beide Betriebsarten möglich.

Im Crossflow-Modus (Querstromfiltration) wird der Feed-

strom parallel zur Membranoberfläche gepumpt und das

Permeat quer dazu abgezogen. Im Dead-End-Betrieb

wird die Membran ähnlich einem „Kaffeefilter" orthogo-

nal beschickt. Abbildung 1-20 verdeutlicht die Unter-

schiede der beiden Betriebsarten.

Durch den Rückhalt suspendierter Stoffe bildet sich auf

der Feedseite eine Deckschicht, welche die Filtrationsleis-

tung vermindert und dazu führt, dass mit fortschreiten-

der Prozessdauer der Permeatfluss abnimmt. Als Gegen-

maßnahme wird im Dead-End-Betrieb das gesamte Modul

in Intervallen einer Rückspülung unterzogen.

Abbildung 1-21 zeigt die Abnahme des Permeatflusses VP

bei Vorgabe eines konstanten Feeddrucks pF (links) bzw.

die Zunahme des Feeddrucks bei Vorgabe eines konstanten

Permeatflusses (rechts) über das Filtrationsintervall. Durch

die Entfernung der Deckschicht im Rückspülintervall

wird im Idealfall wieder die ursprüngliche Filtrationsleis-

tung erreicht.

Im Crossflow-Betrieb wird die Deckschichtbildung vermin-

dert, da der Feedstrom die Membran kontinuierlich paral-

lel überströmt. Dadurch wird an der Membranoberfläche

ein Gleichgewichtszustand zwischen Deckschichtentste-

hung und -entfernung durch die wirkenden Scherkräfte

angestrebt. In der Regel wird die Überströmung durch

Pumpen erzeugt, wobei inzwischen auch Systeme im Ein-

satz sind, bei denen die Überströmung durch Einpressen

von Gas unterhalb der Module durch das aufsteigende

Gas-Feed-Gemisch oder die Bewegung der Membranen

selbst erzeugt wird (siehe Kapitel 2.1.2). Nachteil des

Crossflow-Betriebs gegenüber dem Dead-End-Betrieb ist

der höhere Energiebedarf, welcher aus der kontinuierlich

aufzubringenden Überströmungsenergie resultiert.

Zunehmend wird auch der Begriff des „Semi-Crossflow-“

bzw. „Semi-Dead-End-Verfahrens“ verwendet. Dabei

werden Verfahrenselemente der beiden Betriebsarten Cross-

flow und Dead-End kombiniert, um den Energieverbrauch

gegenüber dem reinen Crossflow-Verfahren zu reduzieren.

Beispiel für einen Semi-Crossflow-Betrieb ist die diskonti-

nuierliche Überströmung der Membran nach dem Cross-

flow-Prinzip kombiniert mit Rückspülintervallen, so dass

die sich bildende Deckschicht entfernt werden kann.

46


47

Permeat

Feed

Feed

Permeat

Crossflow-Betrieb Dead-End-Betrieb

Abb. 1-20

Schematische Darstellung einer Membran bei der Crossflow- bzw. Dead-End-Filtration [nach MELIN 1999]

Zeit t

Filtrations-intervall

Rückspül-intervall

Zielvorgabe :Konstanter Feeddruck pF

Feed

dru

ck p

F

Perm

eatf

luss

Vp

Zeit t

Filtrations-intervall

Rückspül-intervall

Zielvorgabe :Konstanter Permeatfluss VP

Feed

dru

ck p

F

Perm

eatf

luss

Vp

Abb. 1-21

Filtrationsintervalle im Dead-End-Betrieb [nach RAUTENBACH 1997]


1.7

Deckschichtbildung

Kommunale und industrielle Abwässer enthalten organi-

sche und anorganische Stoffe. Bei der Reinigung dieser

Abwässer über eine Membran tritt infolge der selektiven

Wirkung der Membran eine Aufkonzentrierung der Inhalts-

stoffe des Feedstroms und eine Abscheidung von Partikeln

an der Membranoberfläche ein. Mit zunehmender Betriebs-

dauer kommt es dadurch zur Bildung einer Deckschicht.

Deckschichten können zwar in einem bestimmten Maß

zur Filtration gezielt genutzt werden (z. B. um den Reini-

gungsgrad zu erhöhen), sind aber oft unerwünscht, da

durch sie der Permeatfluss und damit die Leistung der

Membran vermindert wird.

Der Leistungsrückgang der Membran beruht auf einer

Erhöhung des Filtrationswiderstandes, der den Ausgangs-

membranwiderstand (Rm) erhöht (Abbildung 1-22).

Bei den Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen resultiert

der erhöhte Deckschichtwiderstand aus Adsorption (Ra),

Porenverblockung (Rp) und der Deckschichtbildung (Rc)

selbst. Hingegen beruht die Erhöhung des Filtrations-

widerstandes bei den dichten Nanofiltrations- und Um-

kehrosmosemembranen auf einer Konzentrationspolarisa-

tion (Rcp) gelöster Inhaltsstoffe, deren Konzentration mit

zunehmender Filtrationsdauer zur Membranoberfläche

hin ansteigt.

Die erhöhten Widerstände infolge Adsorption (Ra) und

Porenverblockung (Rp) lassen sich in der Regel nicht

durch Maßnahmen wie Rückspülen o. Ä. verringern, so

dass bei starker Porenverblockung ggf. ein anderes Mem-

branmaterial eingesetzt werden sollte. Dagegen kann die

Deckschichtbildung durch eine Erhöhung der Überströ-

mungsgeschwindigkeit oder die intervallweise Rückspü-

lung der Membran mit Permeat vermindert bzw. rück-

gängig gemacht werden [PANGLISCH ET AL. 1996].

Maßnahmen gegen Deckschichtbildung und damit zum

Erhalt der Filtrationsleistung werden im folgenden Kapi-

tel behandelt.

Die Ausbildung von Deckschichten kann verschiedene

Ursachen haben, die damit auch die Zusammensetzung

der Schicht bestimmen. Man unterscheidet [BAUMGAR-

TEN 1998]:

• biologisches Fouling (kurz Biofouling)

• kolloidales3) Fouling

• Scaling

Biofouling

Die Biofilmbildung auf der Membranoberfläche wird

durch Adhäsion und das Wachstum von Mikroorganismen

hervorgerufen [FLEMMING 1995]. Man spricht von Bio-

fouling, wenn durch den Biofilm eine Leistungsminde-

rung am Membransystem durch die Abnahme der spezifi-

schen Membranflüsse festgestellt wird [FLEMMING 2000].

Besonders kritisch sind Anlagenstillstände zu betrachten,

da die Bakterien unter diesen Bedingungen auf den Mem-

branflächen sprunghaft anwachsen können

[BAKER ET AL. 1998].

Kolloidales Fouling

Durch die Anlagerung kolloidal gelöster Stoffe entsteht

eine Art Film bzw. Schleim auf der Membranoberfläche,

der zu einer Abnahme der Filtrationsleistung führt.

Scaling

Als Scaling werden durch anorganische Ausfällungen

(Kristallisation) gebildete Beläge auf der Membran bezeich-

net. Diese treten in der Regel nur bei NF- und RO-Mem-

branen auf, wenn beispielsweise die Löslichkeitsgrenze

gelöster Salze durch die Konzentrationsüberhöhung an

der Membranoberfläche überschritten wird.

In Tabelle 1-7 wird zusammengefasst, welche Substanzen

die drei vorgestellten Deckschichtarten verursachen kön-

nen.

48

3) kolloidal = fein verteilt, fein zerteilt


49

PermeatseiteFeedseite

Rp

Ra

RmRc

Rcp

Ra AdsorptionRP PorenverblockungRm Membranwiderstand

Rc DeckschichtbildungRcp Konzentrationspolarisation

Abb. 1-22

Schematische Übersicht der Filtrationswiderstände auf der Membranoberfläche und in der Membran

[KRAMER, KOPPERS 2000]

Tab. 1-7

Deckschichtbildung bei der Membranfiltration [nach BAUMGARTEN 1998]

Scaling (Kristallisation)

CaSO4

CaF2

BaSO4

SiO2

Mg(OH)2

Deckschichtbildung

Fouling

Biofouling

Keime

Bakterienwachstum durch Nährstoffangebot im Feed

Schleimbildung durch Mikroorganismen

Kolloidales Fouling

Kolloidale Kieselsäure und Silikate

Kolloidale Hydroxide (z. B. Fe und Mn)

Organische Kolloide (z. B. Huminstoffe, Proteine)


1.8

Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung

Der Einsatz von Membranen in der Abwasserreinigung ist

nur dann praktisch durchführbar, wenn die Deckschicht-

bildung (Abschnitt 1.7) überwacht und damit ein gesicher-

ter und wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet werden kann.

Die Entstehung von Deckschichten infolge Fouling bzw.

Scaling kann vermieden bzw. verringert werden, wenn

Vorbehandlungsmaßnahmen

In der kommunalen Abwasserreinigung erfolgt die Vorbe-

handlung für das Membranbelebungsverfahren (Abschnitt

2.1.3.2) in der mechanischen Reinigungsstufe (Rechen,

Sandfang, Vorklärung). Dort werden für den Filtrations-

bereich störende Stoffe wie grobe Partikel, Fette und Faser-

stoffe ferngehalten.

Industrieabwässer sind hinsichtlich der Inhaltsstoffe und

der Zusammensetzung sehr unterschiedlich. Die Wahl der

Vorbehandlungsmaßnahmen für eine Membrananlage ist

entsprechend den Erfordernissen der Abwasserzusammen-

setzung zu treffen. Dabei können mechanische, physika-

lische, biologische und chemische Verfahren zum Einsatz

kommen. Beispiele sind in Tabelle 1-8 genannt.

Optimierung der Prozesskonfiguration

Die Ausbildung der Deckschicht wird im Wesentlichen

durch die Betriebsart – Dead-End oder Crossflow-Betrieb –

und die Prozessführung bestimmt. Durch betriebliche Maß-

nahmen, wie die Erhöhung des Rückspülvolumenstromes

bzw. der Rückspülzeit beim Dead-End-Betrieb oder die

Erhöhung der Überströmgeschwindigkeit beim Crossflow-

Betrieb, kann die Deckschichtbildung verringert werden.

Diese Maßnahmen sind jedoch aufgrund des erhöhten

Energiebedarfs für die größere Überströmgeschwindigkeit

bzw. aufgrund des Permeatverlusts durch die häufigere

Rückspülung nur in begrenztem Umfang wirtschaftlich

und können erst während des Betriebs einer Anlage opti-

miert werden.

folgende Aspekte beim Bau und Betrieb der Membran-

anlage berücksichtigt werden (Tabelle 1-8):

• Vorbehandlungsmaßnahmen

• Prozesskonfiguration

• Membran- und Moduleigenschaften

• Reinigung

50

Tab. 1-8

Methoden zur Verringerung und Entfernung von Deckschichten

Vorbehandlung

Siebung

Vorfiltration

Abkühlung

Neutralisation

Vorfällung

Verminderung, Vermeidung, Entfernung von Deckschichten

Optimierung der

Prozesskonfiguration

Betriebsart

Prozessführung

Überströmung

Spülmethode

Konstruktive

Gestaltung

Membranmaterial

Struktureigenschaften

Modulbauform

Modulverschaltung

Reinigung

Reinigungsmittel

Reinigungsintervall

Konzentration

Temperatur


Konstruktive Gestaltung

Den größten Einfluss auf die Deckschichtbildung haben

das Membranmaterial und die Membranstruktur, da die

Membran in direkter Interaktion mit den deckschicht-

bildenden Stoffen des Zulaufs steht. Je nach Materialeigen-

schaft und Ladung einer Membran werden Verschmut-

zungen an der Membran weniger oder stärker adsorbiert.

Die wichtigsten Struktureigenschaften im Hinblick auf

die Deckschichtbildung sind die Rauheit der Membran-

oberfläche, der Porendurchmesser, die Porosität (Hohl-

raumanteil4)) und die Porengrößenverteilung. Je glatter

die Oberfläche und je kleiner der Porendurchmesser ist,

desto geringer ist die Verblockungsneigung. Ebenso ist

die Membranverschmutzung bei einer homogenen

Porenverteilung im Allgemeinen geringer [KRAMER,

KOPPERS 2000]. In den letzten Jahren hat es zahlreiche

Bemühungen gegeben, durch die Modifikation von Mem-

braneigenschaften die Leistungsfähigkeit von Membra-

nen zu erhöhen [LINDAU ET AL. 1998; PIERACCI ET AL.

1998; LINDAU, JÖNSSON 1999; AMANDA ET AL. 2000].

Die Modulbauform ist z. B. entscheidend dafür, wie groß

die Druckerhöhung zur Überwindung des durch die Deck-

schicht erhöhten Filtrationswiderstandes gewählt werden

kann, um den vorgegebenen Fluss weiterhin zu erreichen.

Diese Druckerhöhung ist nur im Rahmen des modulspe-

zifischen maximalen Betriebsdruckes erlaubt und muss

auch vor dem Hintergrund eines wirtschaftlichen Betriebs

der Membranstufe gesehen werden.

Reinigung

Ist der gewünschte Permeatfluss nicht mehr wirtschaftlich

realisierbar, wird in der Regel ein vom Membranhersteller

vorgegebener Reinigungsplan angewendet. Durch die Reini-

gung mit einem membranverträglichen Reinigungsmittel

wird eine Wiederherstellung bzw. Erhöhung des Permeat-

flusses bewirkt. Unter der Voraussetzung eines konstanten

Drucks ist in Abbildung 1-23 der Verlauf des Flusses über

die Filtrationszeit mit und ohne chemische Reinigung

51

Reinigung

Zeit

Flus

s

Reinigungsintervall irreversiblesFouling

mitReinigung

ohneReinigung

Konstanter Druck

Abb. 1-23

Auswirkung der Membranreinigung auf den Fluss bei konstantem Druck

4) Porosität in [%] ist definiert als das Volumen der Hohlräume in einer betrachteten Membranschicht bezogen auf das Gesamtvolumen dieser Membranschicht


dargestellt. Trotz der signifikanten Verbesserung der

Flussleistung durch die chemischen Reinigungen nimmt

der Fluss mit zunehmender Filtrationszeit ab. Dieses Phä-

nomen ist durch irreversibles Fouling zu erklären, das

durch Reinigungen nicht beseitigt werden kann.

Für die Membranreinigung werden in erster Linie che-

mische Reinigungsmittel in Kombination mit einer Rück-

spülung (permeatseitig) oder Spülung (feedseitig) einge-

setzt. Grundsätzlich können drei Reinigungsarten unter-

schieden werden:

1. Rückspülung/Spülung der Membran

2. Zwischenreinigung mit geringer konzentrierten

Chemikalien, z. B. wöchentlich

3. Intensivreinigung mit höher konzentrierten

Chemikalien, z. B. halbjährlich

Bei einer Intensivreinigung werden Reinigungsmittel in

höheren Konzentrationen als bei der Zwischenreinigung

eingesetzt. In Abhängigkeit der Deckschichtsubstanzen

wird das Reinigungsmittel ausgewählt (Tabelle 1-9).

Die Effektivität einer Reinigung hängt nicht nur von den

eingesetzten Reinigungsmitteln und ihrer chemischen

Aktivität ab, sondern wird auch durch Faktoren wie Tem-

peratur, pH-Wert, Kontakt- bzw. Einwirkzeit, Konzentra-

tion der Wirksubstanz und mechanische Kräfte bestimmt.

Das Reinigungsergebnis wird besser, je höher die Tempe-

ratur bzw. je länger die Reinigungszeit ist. Bei höheren

Temperaturen kann die Reinigungszeit reduziert werden

bzw. bei einer längeren Reinigungszeit die Temperatur ge-

ringer sein. Neben der Membran- bzw. Modulwerkstoff-

verträglichkeit ist für die Einstellung des pH-Wertes die

spezifische Wirksamkeit des Reinigungsmittels in Abhän-

gigkeit vom pH-Wert zu berücksichtigen.

Für den Umgang mit den Reinigungschemikalien sind

die Gefahrenhinweise der zugehörigen Sicherheitsdaten-

blätter zu beachten. Diesen kommt besonders dort eine

erhöhte Bedeutung zu, wo das Personal, wie z. B. auf Klär-

anlagen, mit der Verwendung von Gefahrstoffen gewöhn-

lich nicht oder nur eingeschränkt vertraut ist.

Weiterhin ist zu beachten, dass einige Reinigungschemi-

kalien nach Einsatz zur Reinigung unerwünschte Belastun-

gen der Permeatqualität hervorrufen können. Nach einer

Reinigung müssen diese Reinigungslösungen ggf. aufge-

fangen und separat entsorgt werden.

52

Tab. 1-9

Beispiele für Reinigungschemikalien und ihre Anwendungen

Deckschichtsubstanz

Calcium-/Magnesiumscaling

Metallhydroxide, anorganische Kolloide

Organische Stoffe

Bakterien, Keime

Eingesetzte Reinigungsmittel

Säuren, z. B. Zitronensäure, Essigsäure

Säuren, z. B. Zitronensäure

Anionische Tenside

Oxidationsmittel, z. B. Hypochlorit, Wasserstoffperoxid

Alkalische Reiniger, z. B. Natronlauge

Desinfektionsmittel, z. B. Hypochlorit

Biozide


1.9

Weitere Aspekte zum Einsatz der Membran-

verfahren in der Abwasserreinigung

Trenngrenze und Transmembrandruck

Die Auswahl des Membranverfahrens richtet sich nach

der Abwasserzusammensetzung und dem Trennziel. In

der kommunalen Abwasserreinigung werden überwie-

Die für den Filtrationsprozess notwendige Triebkraft bzw.

der Transmembrandruck muss den Filtrationswiderstand

überwinden, der sich aus dem Widerstand der Membran,

dem Widerstand durch Adsorption und Porenverblockung

in der Membran, der feedseitigen Deckschicht und Kon-

zentrationspolarisation zusammensetzt [KRAMER 2000].

Der Transmembrandruck beträgt im Regelbetrieb bei

getauchten Membransystemen in kommunalen Anwen-

dungen zwischen 0,05 und 0,2 bar und wird üblicher-

weise durch permeatseitig angeschlossene Pumpen aufge-

bracht. Bei Anordnung der Behälter mit den Membranen

oberhalb des Permeatsammelbehälters kann die Differenz

der Wasserspiegellagen, d. h. die hydrostatische Druckdif-

ferenz als Transmembrandruck genutzt werden.

Einflüsse auf den Filtrationsprozess und Erhalt der

Leistungsfähigkeit des Filtrationsbetriebs

Beim Filtrationsprozess entsteht eine Deckschicht durch

Teilchen, die von der Membran zurückgehalten werden

und sich auf dieser ablagern. Dadurch werden der Filtra-

tionswiderstand erhöht und der Permeatfluss reduziert,

aber in der Regel die Filterwirkung verbessert, so dass in

einzelnen Fällen mit einer Mikrofiltrationsmembran das

Trennergebnis einer Ultrafiltrationsmembran erreicht

werden kann.

In vielen Fällen ist die Struktur und Dicke der gebildeten

Deckschicht von größerer Bedeutung für die Stofftrennung

als die Membran selbst. Die Bildung einer reversiblen Deck-

schicht ist insbesondere bei Mikrofiltrationsprozessen so-

gar erwünscht, solange damit keine zu starke Flussminde-

rung verbunden ist, da durch die Deckschicht eine innere

Membranverblockung durch kleinere Partikel vermieden

wird. Entscheidend ist, dass sich ein stationärer Betrieb

einstellt, bei dem sich deckschichtbildende und deck-

schichtabscherende Effekte ausgleichen.

Durch die Deckschicht können beispielsweise die im Ver-

gleich zu Bakterien wesentlich kleineren Viren zu einem

hohen Prozentsatz auch bei der Verwendung von Mikro-

filtrationsmembranen zurückgehalten werden, obwohl

die Membranporen keinen Rückhalt erwarten lassen

[MELIN, RAUTENBACH 2004].

Da Bakterien eine Größe von ca. 0,2 µm bis 10 µm und

Viren von ca. 0,02 µm bis 0,250 µm haben werden Viren

nur von Ultrafiltrationsmembranen (Porengröße 0,1 µm

gend druckgetriebene getauchte Membransysteme mit

Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt. Die

Porengröße dieser Membranen garantiert einen Rückhalt

von Feststoffen bzw. von makromolekularen bzw. kolloi-

dal gelösten Stoffen bis zu der in Tabelle 1-10 angegebe-

nen Größe. Sollen kleinere Teilchen bzw. Stoffe mit gerin-

gerem Molekulargewicht abgetrennt werden, ist der Ein-

satz von Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembra-

nen erforderlich.

53

Mikrofiltration Feststoffe > 0,1 µm 0,1 – 3 bar

Ultrafiltration 200.000 – 20.000 D * 0,5 – 10 bar

Nanofiltration 20.000 – 200 D * 2 – 40 bar

Umkehrosmose < 200 D * 5 – 70 bar

Tab. 1-10

Trenngrenze und Transmembrandruck von druckgetriebenen Membranverfahren

Membranverfahren Größe der abtrennbaren Teilchen, Kolloide bzw. Moleküle Transmembrandruck

* Dalton, numerisch äquivalent zum Molekulargewicht in [g/mol]


bis 0,01 µm) vollständig zurückgehalten. Eine Übersicht

der Größen unterschiedlicher Bakterien und Viren ist in

Tabelle 1-11 aufgeführt.

Für den stabilen Betrieb einer Membrananlage müssen

nicht nur deckschichtbildende und deckschichtabsche-

rende Effekte ausgeglichen sein, sondern auch die Fou-

lingbildung begrenzt werden.

Fouling entsteht durch Bakterien, die extrazelluläre poly-

mere Substanzen (EPS) produzieren, welche im Wesent-

lichen aus Polysacchariden und darin eingelagerten Pro-

teinen bestehen und sich als Schleimkapseln um die Zel-

len anlagern. Die Gründe für die Bildung dieser Schleim-

kapseln sind vielfältig und noch nicht vollständig geklärt.

Die von Bakterien produzierten EPS werden zur Bildung

der Belebtschlammflocke benötigt, wobei sich die schleim-

artige Matrix auf der Membran gleichzeitig negativ auf

den Filtrationsprozess auswirkt. Daher ist die Prozessfüh-

rung so zu gestalten, dass die EPS-Bildung möglichst mini-

miert wird.

In der Praxis werden Chemikalien eingesetzt, um dem

Fouling entgegen zu wirken. Der Einsatz einer Säure, z. B.

Zitronensäure, und einer oxidativ wirkenden Reinigungs-

chemikalie, wie z. B. Natriumhypochlorit oder Wasser-

stoffperoxid hat sich bewährt. Für die Durchführung der

chemischen Reinigungen ist eine entsprechend ausgerüs-

tete Chemikaliendosierstation einzurichten. Die Reini-

gung kann in situ oder on air weitestgehend automati-

siert erfolgen.

Für die Vorbereitung und Durchführung einer chemischen

Reinigung ist mit einem erhöhten Personaleinsatz zu

rechnen, der bei Reinigung der Module in einer separaten

Waschkammer steigt. Während der Reinigung stehen die

Membranmodule für den Filtrationsprozess nicht zur Ver-

fügung, was bei der Auslegung der Anlage berücksichtigt

werden muss (größere Membranfläche). Nach derzeitigem

Kenntnisstand erscheint eine vorsorgende, an die hydrau-

lischen Belastungen angepasste Betriebs- und Reinigungs-

strategie technisch und wirtschaftlich sinnvoll. Diese

bedeutet die Planung einer ausreichend großen Mem-

branfläche und den Betrieb der Membranen bei modera-

ten transmembranen Druckdifferenzen.

Im Rahmen eines optimierten Betriebskonzeptes kann zur

Reduzierung der Membranfläche die Pufferung hydrauli-

scher Stoßbelastungen in einem vorgeschalteten Aus-

gleichsbecken sinnvoll sein.

54

Tab. 1-11

Größenangaben für Bakterien und Viren

Bezeichnung Länge [µm] Breite [µm] Durchmesser [µm]

Bakterien [STARR ET AL. 1981]

Bacteriodes

pneumosintes 0,2 < 0,1

Mycoplasma spp. 0,25 0,1

Bacillus subtilis 2,5 0,75

Escherichia coli 2 0,6

Achromatium oxaliferum 100 5

Cristipira pectinis 36 – 72 1,5

Viren [SCHLEGEL 1976]

Pocken 0,3 0,2

Influenza 0,1

Poliomyelitis 0,02


Leistungsfähigkeit von Mikro- und Ultrafiltrations-

membranen

Das Modell für den Stofftransport in Mikro- und Ultrafil-

trationsmembranen beruht auf dem idealisierten Poren-

modell, d. h. größere Partikel, Belebtschlammflocken und

Bakterien, Stoffe mit einer Molmasse größer als 20.000

g/mol können die Membrankapillaren aufgrund ihrer

Größe nicht passieren. Gelöste Inhaltsstoffe wie z. B. Essig-

säure oder Harnstoff werden nicht zurückgehalten, es sei

denn, sie sind an Stoffe adsorbiert, die zurückgehalten

werden.

In der kommunalen Abwasserreinigung wird eine Kombi-

nation aus Belebungs- und Membranverfahren, das Mem-

branbelebungsverfahren, eingesetzt, um auch gelöste, bio-

logisch abbaubare Inhaltsstoffe eliminieren zu können.

Wie beim konventionellen Belebungsverfahren finden ein

Abbau organischer Stoffe unter Aufbau von Biomasse und

Stoffumwandlungsprozesse wie Nitrifikation und Denitri-

fikation statt. Die an die Belebtschlammflocken adsorbier-

ten Stoffe werden von Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmem-

branen sicher zurückgehalten.

Belebtschlammflocken bestehen aus Bakterienkolonien

unterschiedlicher Bakterienarten, wobei die häufigsten

anzutreffenden Gattungen Pseudomonas, Archobacter,

Bacillus, Micrococcus, Aerobacter und vor allem Zoogloea

sind. Die Größe von Belebtschlammflocken wird unter-

schiedlich angegeben, z. B. mit Durchmessern von

50 bis 200 µm [HARTMANN 1983] bzw. 5 bis 30 µm

[KRIEBITZSCH 1999], also Größen, die auch von Mikro-

filtrationsmembranen zurückgehalten werden.

Leistungsfähigkeit von Nanofiltrations- und

Umkehrosmosemembranen

Für die Abtrennung organischer Stoffe aus wässrigen

Lösungen ist eine Nanofiltrations- bzw. Umkehrosmose-

membran einzusetzen. Nanofiltrationsmembranen errei-

chen nennenswerte Rückhalteleistungen für Stoffe mit

einer Molmasse von 200 g/mol und größer, während

durch Umkehrosmosemembranen auch gelöste organische

Komponenten mit einer Molmasse von 100 – 150 g/mol

nahezu vollständig zurückgehalten werden. In Tabelle 1-12

und Abbildung 1-24 sind die Molmassen einiger ausge-

wählter Abwasserinhaltsstoffe zusammengestellt.

55

Tab. 1-12

Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser [KOPPE, STOZEK 1999]

Bezeichnung Summenformel Molmasse [g/mol]

natürliche organische Stoffe

Makrostoffe

Essigsäure C2H4O2 60

Zitronensäure C6H8O7 112

Saccharose C12H22O11 342

Glycin C2H5O2N 75

Harnstoff CH4ON2 60

Mikrostoffe

Östradiol C18H24O2 272

Toluol C7H8 92

synthetische organische Stoffe

Trichlorethen C2HCL3 132

Dichlorbenzol C6H8CL10 435

Sorbinsäure C6H8O4 144


Eine Besonderheit der Nanofiltrationsmembranen ist ihre

Ionenselektivität. Negative Ladungsgruppen auf bzw. in

der Membran halten gelöste Salze mit mehrwertigen

Anionen zurück, während einwertige Anionen die Mem-

bran fast ungehindert passieren können. Für industrielle

Anwendungen wird diese Eigenschaft genutzt, um Wert-

stoffe aus dem Prozessabwasser zurückzugewinnen (z. B.

Lackwasseraufbereitung bei der Fahrzeuglackierung, Farb-

stoffrückgewinnung in der Papier- oder Textilindustrie).

Für die kommunale Abwasserbehandlung eröffnen sich

im Hinblick auf den Rückhalt organischer Spurenstoffe

neue Perspektiven.

Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Einteilung der

organischen Spurenstoffe in drei Gruppen hinsichtlich

ihrer konzentrationsabhängigen Relevanz im Abwasser

und ihres Abbauverhaltens sinnvoll ist [MUNLV 2004]:

• „Gruppe 1: Stoffe, deren Konzentrationen im Zulauf

bereits unterhalb der Bestimmungsgrenze liegen“

(u.a. Atrazin).

• „Gruppe 2: Stoffe, die im Zulauf und z. T. im Ablauf

oberhalb der Bestimmungsgrenze detektiert werden

und deren Konzentrationen zwischen Zulauf und

Ablauf erheblich reduziert werden“( u. a. Naphtalin,

Nonylphenole, Bisphenol A).

• „Gruppe 3: Stoffe, die im Zulauf und im Ablauf ober-

halb der Bestimmungsgrenze detektiert werden und für

die keine oder nur eine geringe Reduzierung der Kon-

zentration auftritt“ (u. a. Diclofenac).

In Tabelle 1-13 und sind einige organische Spurenstoffe

ausgewählt, deren Rückhalt durch Nanofiltrationsmem-

branen aufgrund ihrer Molmasse zu erwarten ist. Die tat-

sächliche, quantifizierbare Rückhalteleistung ist jedoch

erst in praktischen Versuchen zu ermitteln. Zu diesem

Aufgabenfeld werden zurzeit intensive Untersuchungen

durchgeführt.

56

Umkehrosmose

• Glycin• Harnstoffe• Essigsäure

• Toluol

Nanofiltration

400200 300 500100

Molmasse[g/mol]

• Zitronensäure • Trichlorethen • Sorbinsäure

• Östradiol • Saccharose • Dichlorbenzol

Abb. 1-24

Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser


57

Umkehrosmose

Nanofiltration

Molmasse[g/mol]

• Clofibrinsäure • Nonylphenol • Bisphenol A

• PAK • TCEP • EDTA • Diclofenac • TCPP • Trifluralin

200 300 400

• Naproxen • Carbamazepin

Abb. 1-25

Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe

Tab. 1-13

Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe, deren Rückhalt durch Nanofiltrationsmembranen zu

erwarten ist [MUNLV 2004]

Bezeichnung Summenformel Molmasse [g/mol]

Bisphenol A C15H20O2 228

EDTA C10H16N2O2 292

Trifluralin C13H16F3N3O4 335

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe – PAK C22H12 276

Nonylphenol C15H24O 220

Organische Spurenstoffe

Organophosphate

TCEP C6H12O4P1Cl3 285

TCPP C9H18Cl3O4P 327

Pharmaka

Clofibrinsäure ClC6H4OC(CH3)2CO2H 214

Carbamazepin C15H12N2O 236

Naproxen C14H14O3 230

Diclofenac C14H11Cl2NO2 296


Membranbelebungsanlagen benötigen für den Betrieb bei

hohen Schlammaltern gegenüber konventionellen Anla-

gen erheblich kleinere Belebungsvolumina. Es ist davon

auszugehen, dass bei diesen Bedingungen eine Adapta-

tion der Biomasse stattfindet, die eine vermehrte Elimi-

nation schwer eliminierbarer Abwasserinhaltstoffe (vgl.

z. B. Stoffe der Gruppe 2 und 3) ermöglicht. Eine voll-

ständige Elimination von Stoffen, die evtl. nicht in der

Membranbelebungsanlage eliminiert werden, wie z. B.

Stoffe der Gruppe 3, kann durch die direkte Nachschal-

tung einer Nanofiltrationsstufe bzw. einer Umkehrosmo-

sestufe erreicht werden. Eine Zwischenschaltung einer

weiteren Reinigungsstufe, wie dies bei konventionellen

Belebungsanlagen erforderlich wäre, ist nicht notwendig.

Anforderungen an das Betriebspersonal

Der Betrieb einer Membranbelebungsanlage unterschei-

det sich in betriebs- und verfahrenstechnischer Hinsicht

von einer konventionellen Belebungsanlage. Derzeit

besteht deshalb noch Ausbildungs- und Schulungsbedarf

für Betriebspersonal einer Membrananlage. Für das Mem-

branbelebungsverfahren bietet der Erftverband eine Schu-

lungsreihe auf der Kläranlage Nordkanal an und der

Aggerverband errichtet in Zusammenarbeit mit dem

MUNLV NRW zurzeit eine Schulungseinrichtung zum

Membranbelebungsverfahren am Standort der Kläranlage

Seelscheid.

58

Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung

2

Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung2

In der industriellen Abwasserreinigung wird die Mem-

brantechnik schon seit Jahrzehnten angewendet. Hinge-

gen ist dies bei der kommunalen Abwasserreinigung erst

seit einigen Jahren der Fall.

Auslöser für den seit einigen Jahren verstärkten Einsatz im

kommunalen Bereich waren sowohl der neuartige Verfah-

rensansatz der in Belebungsbecken direkt eingetauchten

Membranmodule als auch Weiterentwicklungen im Bereich

der Membranen (Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen).

Beide Aspekte führten dazu, dass diese Technik konkurrenz-

fähig zu etablierten Reinigungsverfahren, wie z. B. dem

konventionellen Belebungsverfahren, wurde und darüber

hinaus eine deutlich verbesserte Reinigungsleistung erzielte.

Obwohl in den letzten Jahrzehnten erhebliche Anstren-

gungen im Bereich der Abwasserreinigung unternommen

wurden, die sich signifikant auf die Verbesserung der

Gewässergüte ausgewirkt haben, ist der weiteren Verbes-

serung des Gewässerschutzes auch zukünftig eine hohe

Bedeutung beizumessen. Zu nennen sind dabei Maßnah-

men zur Entfernung von Keimen, Bakterien und Viren

aus dem Abwasser wie auch zum Rückhalt oder Abbau

von Mikroschadstoffen, beispielsweise endokrin wirksa-

men Substanzen oder Rückständen aus Arzneimitteln.

Im Folgenden wird ein Überblick über die Möglichkeiten

der Membrantechnik im kommunalen Bereich gegeben,

und es werden die Hintergründe erläutert, warum sich

schon heute einige Betreiber für deren Anwendung ent-

schieden haben. Auf diese Beispiele, aber auch auf tech-

nische sowie wirtschaftliche Rahmenbedingungen, plane-

rische und betriebliche Aspekte wird in den nachfolgen-

den Abschnitten eingegangen. Die Abbildung 2-1 soll

dabei dem Leser den Weg durch das Kapitel weisen, so

dass er sich – je nach Interesse – direkt auf Themenfelder

fokussieren kann.

Zu Beginn des Kapitels wird die Verfahrenstechnik genau-

er erläutert, wobei eine Unterscheidung nach Art der

Anordnung der Membranstufe in kommunalen Abwasser-

reinigungsanlagen vorgenommen wird (Abbildung 2-2):

• die integrierte Anordnung der Membranstufe in

die Belebungsstufe und

• die nachgeschaltete Anordnung der Membran-

stufe im Ablauf einer konventionellen biologischen

Abwasserreinigungsanlage

In Deutschland hat die integrierte Anordnung der

Membranstufe als Kombination von Belebungsverfah-

ren und Membranfiltration im sogenannten Membran-

belebungsverfahren (Kapitel 2.1) die größte Bedeu-

tung. Das Verfahren wird angewendet

• in Kläranlagen (Kapitel 2.2) sowie in

• Kleinkläranlagen und Schiffskläranlagen (Kapitel 2.3).

Beim Membranbelebungsverfahren wird die Mem-

branstufe anstelle eines Nachklärbeckens zur Abtrennung

des biologisch gereinigten Wassers von der Biomasse ein-

gesetzt. Je nach verwendetem Modulsystem wird zwischen

internen, d.h. in Belebungsbecken eingebrachten Mem-

branmodulen (Abbildung 2-2, 2a), und externen Mem-

branstufen, d.h. separat aufgestellten Membranmodulen

außerhalb von Becken (Abbildung 2-2, 2b), unterschieden.

Biologischen Reinigungsstufen nachgeschaltete Mem-

branstufen (Abbildung 2-2, 3) werden eingesetzt, um

einen vollständigen Feststoffrückhalt und eine weitgehende

Hygienisierung des Ablaufs zu erzielen (siehe Kapitel 2.4).

60

Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2

61

Abb. 2-1

Anlass – Planung – Betrieb einer kommunalen Membranbelebungsanlage, Inhalte im Kapitel „Membran-

technik in der kommunalen Abwasserreinigung“

Vorgehen

Anlass

Zielsetzung

S. 286

S. 64 ff.

Beispiele

Neubau, ErtüchtigungErweiterung von Belebungsstufen

Weitergehende Maßnahmen

Information

Praxisbeispiele

Verbände

AnalyseIST-Zustand

S. 286Reinigungsanforderungen

Örtliche Situation

...

Variantenbetrachtungen

S. 286Einbeziehung vorhandener Becken

Beckenneubau

Membranmodule...

S. 68 ff.Membranmodule

Wirtschaftlichkeit

Planung, Bemessung, konstruktive Gestaltung

S. 80

BemessungMembranbelebungsstufe

Anlagenkonfiguration

...S. 85 S. 270 ff.

S. 286 f. S. 161Praxisbeispiele

IngenieurbürosAnlagenbauer

Betrieb

S. 287Reinigung

Energieverbrauch

Personal

S. 266 f.

Praxisbeispiele

Betreiber

S. 93 ff.

S. 93 ff.

S. 90 ff.

S. 270 ff.

S. 93 ff.

S. 266 f.

Ingenieurbüros

S. 67

S. 65

S. 68 ff.

S. 87 f. S. 87 f.


62

Abb. 2-2

Konventionelle Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren und Anordnungsmöglichkeiten einer

Membranstufe bei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen [OHLE 2001]

Rohabwasser

Konventionelle Verfahrenstechnik bei der kommunalen Abwasserreinigung

Ablauf

ggf. weitergehendeMaßnahmen, z. B.:

NN, SF, UV1

RE/SFF VK BB BB NK

2a

2b

3

Integrierte Anordnung der Membranstufe bei der kommunalen Abwasserreinigung

RohabwasserRE/SFF VK BB

Ablauf

ggf. FS optional

M

RohabwasserRE/SFF VK BB

Ablauf

ggf. FS optional

M

Nachgeschaltete Anordnung der Membranstufe bei der kommunalen Abwasserreinigung

RohabwasserRE/SFF VK BB BB NK

AblaufM

BB

RE⁄SFF Rechen, Sand- und FettfangVK VorklärbeckenFS Feinsieb

BB BelebungsbeckenNK NachklärbeckenSF Sandfilter

M MembranstufeUV UV-BehandlungNN Nachnitrifikationsstufe


Unter dem Aspekt des Gewässerschutzes stellt die Mem-

brantechnik eine zukunftsweisende Lösung dar. Denn das

hohe erreichbare Schlammalter und eine weitere nachge-

schaltete Membranstufe (Nanofiltration oder Umkehros-

mose) lassen auch die Elimination organischer Spuren-

stoffe erwarten. Abbildung 2-3 zeigt eine entsprechende

Verfahrenskombination.

63

Rohwasserzulauf

RechenFeinsieb(optional)

Sand-und

Fettfang

Denitrifikations-stufe

Nitrifikations-stufe

Membranstufe I(MF/UF)

Membranstufe II(NF/UO)

Ablauf

optionaleVerfahrens-ergänzung

Überschussschlamm

Rezirkulation

Abb. 2-3

Verfahrensschema einer Kläranlage mit Membranbelebungsverfahren und nachgeschalteter Membranstufe


2.1

Das Membranbelebungsverfahren

2.1.1

Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete

Das Membranbelebungsverfahren ist eine Verfahrens-

kombination von biologischer Abwasserreinigung nach

dem Belebungsverfahren und der Phasenseparation des

Schlamm-Wasser-Gemisches durch Membranfiltration.

Die eigentliche Abwasserreinigung erfolgt durch Stoff-

wechsel- und Umsetzungsprozesse in der biologischen

Stufe (Belebungsverfahren). Vereinfacht formuliert erfolgt

hier eine Umsetzung der im Abwasser gelöst vorliegenden

Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen zu CO2 und N2

bzw. deren Einbau in die Biomasse. Diese Aufgabe wird

von Mikroorganismen vollzogen, die sich als suspendierte

Schlammflocken im Belebungsbecken befinden.

Zur Abtrennung des gereinigten Abwassers von der

suspendierten Biomasse werden Membranstufen mit

druckgetriebenen Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen

eingesetzt. Die Membranen gewährleisten einen vollstän-

digen Feststoff- und Biomasserückhalt, so dass ein dem

Belebungsbecken nachgeschaltetes Nachklärbecken zur

Phasenseparation, wie bei der konventionellen Klärtech-

nik, entfällt. Als Resultat erhält man ein feststofffreies,

weitgehend hygienisiertes gereinigtes Abwasser. Daher

bietet sich der Einsatz einer Membranstufe in der kom-

munalen Abwasserreinigung vor allem an, wenn erhöhte

Anforderungen an die Einleitung des gereinigten Abwas-

sers gestellt werden.

Beim Membranbelebungsverfahren wird zwischen inter-

ner und externer Anordnung der Membranmodule unter-

schieden. Während bei der internen Anordnung die

Membranmodule (Abbildung 2-2, 2a) innerhalb der Bio-

reaktoren in das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch einge-

taucht werden (getauchtes System), wird bei der externen

Anordnung das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch aus den

Bioreaktoren abgezogen und die Membranmodule, meis-

tens Rohrmodule, üblicherweise im Crossflow-Betrieb

beschickt (Abbildung 2-2, 2b). In der kommunalen

Abwasserreinigung werden aus Kostengründen aus-

schließlich getauchte Modulsysteme eingesetzt (Kapitel

2.1.2).

Da die Leistung der Phasenseparation beim Membranbe-

lebungsverfahren weitgehend unabhängig von den

Absetzeigenschaften des Belebtschlamm-Wasser-Gemi-

sches ist, kann die Belebungsstufe mit weit höheren Bio-

massekonzentrationen betrieben werden als bei konven-

tionellen Anlagen. Während in letzteren Biomassekon-

zentrationen von TS < 5 g/l üblich sind, werden die der-

zeit laufenden Membranbelebungsanlagen bei TS-Gehal-

ten von 9 – 16 g/l betrieben. Hierdurch können bei

gleicher Schlammbelastung die benötigten Belebungs-

beckenvolumina gegenüber konventionellen Anlagen um

bis zu 75 % reduziert werden.

In der nachfolgenden Tabelle 2-1 sind die wesentlichen

Vorteile für den Einsatz des Membranbelebungsverfah-

rens bei der kommunalen Abwasserbehandlung

zusammengestellt.

Auf Basis der in Tabelle 2-1 angeführten Aspekte erweist

sich das Membranbelebungsverfahren aus ökonomischer

Sicht derzeit bei folgenden Rahmenbedingungen als vor-

teilhafte Option gegenüber anderen Verfahrenstechniken:

64

• vollständiger Feststoffrückhalt:

– verbesserte Ablaufqualität hinsichtlich der Parameter CSB und BSB5

– weitgehend hygienisierter Ablauf, d. h. Nachklärung, Filtration und

Entkeimungsanlage werden ersetzt

– Beeinflussung der Ablaufqualität durch Schwimmschlamm-,

Blähschlamm- und Schaumbildung (ggf. geringerer Hilfsstoffbedarf)

• geringere Belebungsbeckenvolumina durch erhöhte Biomasse-

konzentration

• bestehende Anlagenkomponenten können beim Ausbau von Anlagen

mitgenutzt werden

• geringerer Platzbedarf für die Abwasserreinigungsanlage

• modulare Erweiterbarkeit von Anlagen

Tab. 2-1

Vorteile des Membranbelebungsverfahrens gegen-

über dem konventionellen Belebungsverfahren

Vorteile


Anforderungen an die Ablaufqualität

Liegen erhöhte Anforderungen an die Einleitwerte hin-

sichtlich der Standardüberwachungsparameter oder

hygienischer Parameter vor, wie z. B. für die Einleitung in

schwache Vorfluter, Trinkwassereinzugsgebiete oder Bade-

gewässer, so stellen Membranbelebungsanlagen eine öko-

So ergaben Untersuchungen zur hygienischen Qualität

des Ablaufs, dass mit Membranbelebungsanlagen die An-

forderungen der EU-Badegewässerrichtlinie ohne weiter-

gehende Behandlungsmaßnahmen eingehalten werden

können. Zur Verdeutlichung der hohen Ablaufquali-

tät von Membranbelebungsanlagen ist dazu in Abbil-

dung 2-4 beispielhaft die Keimbelastung einer konven-

tionellen Abwasserreinigungsanlage [BAUMGARTEN,

BRANDS 2002] derjenigen der Pilotanlage Büchel gegen-

übergestellt (jeweils Mittelwerte aus Mehrfachbeprobung).

Deutlich zu erkennen ist, dass die Anlage mit Membran-

technik hinsichtlich der hygienischen Ablaufqualität den

konventionellen Anlagen überlegen ist.

nomisch interessante Lösung dar. Wie die nachfolgende

Tabelle 2-2 zeigt, ist die Ablaufqualität von Membranbe-

lebungsanlagen deutlich besser als diejenige konventio-

neller Kläranlagen.

65

Feststoffe (AFS) mg/l 10 – 15 0

CSB mg/l 40 – 50 < 30

Nges mg/l < 13 < 13

Pges (mit Simultanfällung) mg/l 0,8 – 1,0 < 0,3

Mikrobiologische Qualität hygienisch bedenklich Badegewässerqualität

Trockensubstanzgehalt g/l < 5 < 20

im Belebungsbecken

Spez. Stromverbrauch kWh/m3 0,2 – 0,4 0,7 – 1,5

Tab. 2-2

Leistungsdaten von Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen

[DOHMANN ET AL. 2002]

Parameter Konventionelle Membranbelebungsanlage

Belebungsanlage


Entwässerungssystem

Wird das Einzugsgebiet vorrangig im Trennsystem entwäs-

sert, so ist die zu installierende Membranfläche in der Bele-

bungsstufe der Kläranlage um ein Vielfaches kleiner als bei

Anlagen, in denen Abwässer aus Mischsystemen gereinigt

werden. Aufgrund der geringeren hydraulischen Schwan-

kungen wird die Membranstufe optimal ausgelastet und

kann so mit alternativen technischen Lösungen zur Ab-

wasserreinigung konkurrieren, selbst wenn keine erhöhten

Anforderungen an die Ablaufqualität gestellt werden.

Daneben führt ein hoher Fremdwasseranfall im Kanal-

netz zu großen Membranflächen, so dass Membranver-

fahren vorzugsweise bei einem geringen Fremdwasserauf-

kommen im Vergleich zum Schmutzwasseraufkommen

Anwendung finden sollten.

Örtliche Situation

Aufgrund der höheren Biomassekonzentrationen in

Membranbelebungsanlagen können die Belebungsbecken-

volumina um 50 bis 75 % kleiner dimensioniert werden

als bei konventionellen Anlagen. Erfordert die zur Verfü-

gung stehende Grundfläche eine kompakte Bauweise, so

kann eine Membranbelebungsanlage eine technische

Lösung darstellen. Dies zeigt Abbildung 2-5 exemplarisch

für den Variantenvergleich beim Neubau der Kläranlage

Kaarst.

66

1.000.000

100.000

10.000

1.000

100

10

1E. coli

[MPN/100 ml]Salmonellen

[MPN/100 ml]Fäkalstreptokokken

[MPN/100 ml]Gesamt-Coliforme

[MPN/100 ml]Coliphagen

[PFU/l]Gesamtkeimzahl

[KBE/ml]

konventionelle Kläranlage Membranbelebungsanlage Leitwert EU Grenzwert EU

Abb. 2-4

Vergleich der Keimbelastung im Ablauf von Kläranlagen [BAUMGARTEN, BRANDS 2002]


Umbau bzw. Erweiterung von Anlagen

Bestehende Anlagen, die z. B. aufgrund erhöhter Anforde-

rungen an die Ablaufqualität oder gestiegener Abwasser-

mengen umgebaut bzw. erweitert werden müssen, können

zu Membranbelebungsanlagen umgerüstet werden. Die

Membranstufe lässt sich dabei kostengünstig in bestehen-

de Anlagenteile integrieren, so dass z. B. auf den Abriss

bzw. Neubau von Belebungsbecken verzichtet werden

kann. Vorteilhaft ist dies insbesondere dann, wenn eine

flächenmäßige Ausdehnung einer zu erweiternden Anlage

aufgrund der örtlichen Situation nicht möglich ist.

Da zukünftig Kostenreduzierungen für installierte Mem-

branflächen zu erwarten sind (Kapitel 2.1.4), ist mit einer

weiteren Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfah-

rens zu rechnen. Die Entscheidungen der Wasserverbän-

de, die bereits erste großtechnische Erfahrungen mit der

Membrantechnik gesammelt haben (Aggerverband, Erft-

verband, Kommunale Wasserwerke Leipzig (KWL)), bei

weiteren Projekten die Membrantechnik in die Wirt-

schaftlichkeitsbetrachtung mit einzubeziehen oder gar

direkt bei der Planung zu bevorzugen, sind ein deut-

licher Hinweis auf die Konkurrenzfähigkeit zur konven-

tionellen Technik. Nach Ansicht der KWL wird – unter

Berücksichtigung weiterer Reduzierungen der Membran-

kosten sowie durch Verfahrensoptimierungen – sogar ein

Generationswechsel hin zur Membrantechnik erwartet,

der sich nicht über die Steigerung der Reinigungsanforde-

rungen, sondern über rein wirtschaftliche Aspekte durch-

setzt [WALTHER 2001].

67

Abb. 2-5

Schematische Darstellung des Flächenbedarfs einer konventionellen Belebungsanlage (blaue Flächenum-

randung) und einer Membranbelebungsanlage (rote Flächenumrandung) am Beispiel der KA Kaarst

[ERFTVERBAND 2002]


2.1.2

Eingesetzte Membranmodule

Die grundsätzliche Eignung von Membranen zur Trennung

von Belebtschlamm und Wasser ist seit langem bekannt.

Doch wurden erst in den vergangenen zehn Jahren Modul-

systeme entwickelt, die aufgrund günstiger Investitions-

und Betriebskosten für die kommunale Abwasserreinigung

eine relevante Verfahrensalternative zur Sedimentation

darstellen.

Bislang am weitesten verbreitet sind die so genannten

Niederdruckverfahren mit getauchten Modulen. Die

Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmodule werden dabei direkt

in das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch eingetaucht und

ziehen das biologisch gereinigte Abwasser als Filtrat bei

Transmembrandrücken < 0,5 bar im Unterdruck- oder

Überstaubetrieb („gravity-flow“) ab. Einen großen Anteil

an den weltweit großtechnisch eingesetzten Modulen

haben zurzeit Kapillarmodule der Firma ZENON und

Plattenmodule der Firma Kubota. Diese Module sowie die

wesentlichen nationalen und internationalen Neuent-

wicklungen werden im Folgenden vorgestellt.

Kapillarmodul der Fa. ZENON, Kanada

Das in Abbildung 2-6 dargestellte Kapillarmodul (Pro-

duktbezeichnung: ZeeWeedTM) besteht aus einer Vielzahl

röhrenförmiger Membranen mit einem Durchmesser von

3 mm, die parallel zueinander zwischen zwei Kunststoff-

blöcken (Modulkopf und -fuß) eingeharzt sind. Die Mem-

brankapillaren (Porengröße ~ 0,04 µm) werden von

außen mit dem Belebtschlamm-Wasser-Gemisch beauf-

schlagt, das Permeat gelangt in das Innere der Kapillaren

und wird über eine im Modulkopf integrierte Sammellei-

tung abgezogen. Zur Minimierung der Deckschichtbil-

dung auf den Membranflächen wird am Fuß des Moduls

grob- bis mittelblasige Luft eingepresst, die eine Auf-

strömbewegung des Schlamm-Wasser-Gemisches und

eine Bewegung der Kapillaren zwischen der Einspannung

erzeugt. Eine zusätzliche Deckschichtentfernung ist durch

eine zyklische filtratseitige Rückspülung der Module im

so genannten „Backpulse-Modus“ möglich. Ein Beispiel

für eine gängige Betriebseinstellung ist ein Filtrations-

betrieb von 6 Minuten und eine Rückspülzeit von 30

Sekunden.

68

Modulkopf mit integriertemPermeatsammelkanal

Membran-bündel

AufsteigendesSchlamm-Wasser-Luft-Gemisch

Stützrahmen mitintegrierter Luftleitung

Modulfuß

Belüfter

Permeatkanal

Permeat-abzug

Stützschicht

Membran

Stützrahmen

Rückspülung

Luftzufuhr

Abb. 2-6

ZeeWeed™-Modul der Firma ZENON, links: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Moduls

[OHLE 2001], rechts: Foto der technischen Ausführung als Modulkassette [Foto: ZENON]


Die Modulkonfiguration der Fa. ZENON ist in den letzten

Jahren fortwährend optimiert worden. Mit dem aktuellen

Kapillarmodul ZW 500 d ist eine sehr kompakte Bauform

erreicht worden (Abbildung 2-6).

Die in Abbildung 2-7 dargestellte Modulkassette des Typs

ZW 1000 (Porengröße der Membranen 0,02 µm) wurde

ursprünglich für die Trinkwasseraufbereitung konzipiert,

wird aber beispielsweise auch zur weitergehenden Reini-

gung bzw. zur Aufbereitung des Ablaufs einer Nachklä-

rung oder einer Sandfiltration eingesetzt.

Plattenmodul der Fa. Kubota, Japan

Die Plattenmodule (Abbildung 2-8) bestehen aus einer Trä-

gerplatte, auf die beidseitig die Membranfolie (Porengröße

~ 0,4 µm) aufgeschweißt ist. Zwischen der Platte und der

Membran befindet sich ein Drainage- und Stützvlies. Die

Trägerplatte ist mit Drainagekanälen versehen, die in einem

Saugstutzen zum Permeatabzug zusammenlaufen. Die ein-

zelnen Platten werden in einem Abstand von 6 mm paral-

lel zueinander und senkrecht stehend zu einem Plattenpa-

ket zusammengefasst und in einen Stützrahmen eingesetzt

69

Membran-paket

Drainagevlies

Membran

Suspension

FiltratFiltratsammelleiste

Aufström-kanal

Druck-belüfter

Luft

Saugstutzen

Sammelkanäle

Membran-träger

Abb. 2-8

Plattenmodul der Firma Kubota, links: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips [nach KRAFT,

MENDE 1997], rechts: Foto der technischen Anordnung der Plattenmodule als Plattenpaket [Foto: KUBOTA]

Abb. 2-7

Anordnung mehrerer ZeeWeed™-Module ZW 1000

in einer Kassette [Foto: ZENON]


(Abbildung 2-8). Der Stützrahmen ist seitlich geschlossen

und auf einem Aufströmkanal montiert, an dessen Fuß eine

flächendeckende Druckbelüftungsvorrichtung angeordnet

ist. Das Schlamm-Wasser-Luft-Gemisch steigt durch die ein-

geblasene Luft auf, überströmt die Flachmembranen und

sorgt für die Deckschichtentfernung. Der Filtratabzug er-

folgt durch einen filtratseitig angelegten Unterdruck oder

den hydrostatischen Druck der wirkenden Wassersäule

(„gravity flow") über die Filtratsammelleiste, welche mit

den Saugstutzen der einzelnen Platten verbunden ist. Die

Entfernung der Deckschicht auf den Platten erfolgt nicht

durch eine permeatseitige Rückspülung. Stattdessen wird

der Filtrationsbetrieb intervallweise unterbrochen, während

die Module weiter belüftet werden [KRAFT, MENDE 1997].

Die Pausenzeit zur Entspannung der Membranen und Ab-

reinigung der Deckschicht variiert dabei je nach Abwasser-

zusammensetzung. Für mehrere kommunale Anlagen hat

sich ein neunminütiger Filtrationsbetrieb mit einer

anschließenden Pausenzeit von einer Minute bewährt.

Als Weiterentwicklung der Kombination aus Aufström-

kanal und Plattenpaket wird für die Großtechnik inzwi-

schen der so genannte Doppeldecker angeboten (Abbil-

dung 2-9). Hierbei sind zwei Plattenpakete übereinander

angeordnet, so dass die eingetragene Luft bzw. das auf-

strömende Schlamm-Wasser-Luft-Gemisch doppelt ausge-

nutzt werden kann. Dadurch reduziert sich der Energie-

bedarf für die Modulbelüftung erheblich.

Modulystem der Fa. PURON AG

An der RWTH Aachen wurde vor etwa fünf Jahren ein

neues, getauchtes Modulsystem aus Kapillarmembranen

mit einer Porengröße von ca. 0,1 µm entwickelt, das

mittlerweile für den Einsatz in der Wasseraufbereitung

und Abwasserbehandlung zur Verfügung steht. Die Pro-

duktion und Vermarktung der neuen Membranfilter

erfolgen durch die Firma PURON, die zum KOCH-

GLITSCH Konzern gehört.

Die patentierte Grundidee des PURON-Moduls basiert auf

Bündeln aus Membranfasern, die nur an ihrem unteren

Ende der Module fixiert sind, während sie an ihrem oberen

Ende, einzeln verschlossen, sich frei im zu filtrierenden

70

Membranpaket oben

Membranpaket unten

Belüftungseinrichtung

Abb. 2-9

Anordnung der Plattenmodule der Firma Kubota als „Doppeldecker“ [AGGERWASSER GMBH 2004]


Belebtschlamm-Wasser-Gemisch bewegen können (Abbil-

dung 2-10).

In der Mitte jedes Faserbündels eines Modulbausteins ist

zentral eine Luftzufuhrdüse angeordnet. Über diese wird

gezielt Luft zur Bewegung und Abreinigung der Membra-

nen in die Membranbündel eingetragen. Die Luft durch-

strömt das Membranfaserbündel von innen nach außen

und steigt gleichzeitig nach oben. Dabei werden Mem-

branbeläge bzw. beginnende Verschlammungen aus dem

Modul ausgetragen. Auch Haare und faserige Verbindun-

gen können frei nach oben abgestreift werden, wodurch

das Problem einer Verzopfung der Module auch bei rela-

tiv grober Vorsiebung vermieden werden soll. Aufgrund

des definierten Lufteintrags kann die Belüftungszeit der

Module auf 5 bis 10 % der Filtrationszeit verkürzt und

damit der Energiebedarf für die Überströmung deutlich

reduziert werden.

Im technischen Modul von PURON wird eine Vielzahl die-

ser Modul-Bausteine parallel angeordnet. Die Gesamtmem-

branfläche des PURON-Moduls beträgt 504 m2, wobei die

Einbau- und Anschlussmaße des Moduls kompatibel zu

anderen bestehenden Modulsystemen gestaltet sind.

Im Rahmen eines vom „Kompetenznetzwerk Wasser

NRW“ geförderten Testfeldes für Membranbelebungsanla-

gen liefen seit August 2001 Pilotversuche auf der Kläran-

lage Aachen-Eilendorf, bei denen einzelne Modulbaustei-

ne unter realen Bedingungen, d. h. mit Lastschwankun-

gen betrieben wurden. Die Erkenntnisse dieser ersten

Pilotierung bildeten die Grundlage für die Errichtung

einer technischen Anlage auf der Kläranlage Simmerath

für 750 EW in NRW, die seit Ende 2002 im Rahmen eines

Forschungs- und Entwicklungsvorhabens betrieben wird.

71

Filtrat

Membranfasern

Filtrat

Luft

Faserhalter

Modulreihen

Luftleitung

Filtrat

Luftblasen Membranfaser

PURON-Modul Modulbaustein

• Zentrale Luftzufuhr• Einseitige Fixierung der Membranen• Aufbau aus einzelnen Membranbündeln

Abb. 2-10

PURON-Modul und Modulbaustein [Foto: PURON]


Modulsystem der Martin Systems AG

Von der Martin Systems AG wird unter dem Namen

siClaro® ein neues Modulsystem vertrieben. Die Innova-

tion dieses Modulsystems liegt nach Herstellerangabe im

Filteraufbau und in der Betriebsweise.

Für die Module werden Flachmembranen mit einer

Porengröße von etwa 0,04 µm eingesetzt. Jede Membran

ist auf ein Stützgerüst mit einer offenen Gitterstruktur

aufgeschweißt. Auf ein Drainagevlies kann verzichtet

werden kann. Die Stützgerüste weisen die für eine effekti-

ve Abreinigung der Membranoberflächen notwendigen

Abstandshalter auf und werden zu Modulblöcken ver-

schweißt. Auf jeden Modulblock werden quer zum Stütz-

gerüst im Kopf- und Fußbereich Filtratsammler aufge-

schweißt. Die selbsttragende Konstruktion erlaubt relativ

geringe Materialstärken für das Stützgerüst und ermög-

licht eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten bei

der Zusammenstellung der Modulblöcke zu einem

anschlussfähigen Modulpaket. Für den technischen Ein-

satz werden mehrere Modulblöcke nebeneinander und

übereinander miteinander verbunden. Ein anschlussfähi-

ges siClaro® Membranmodul Typ FM 643 (siehe Abbildung

2-11 rechts) besteht z. B. aus 12 Modulblöcken und ver-

fügt über eine Membranfläche von 72 m2.

Durch den Einsatz feinblasiger Membranrohrbelüfter

unterhalb des Modulpaketes soll ein höherer Sauerstoff-

eintrag erzielt werden, um hierdurch die zusätzlich not-

wendige Luftzufuhr zur Versorgung der Mikroorganismen

zu reduzieren. Auf eine Rückspülung mit Filtrat kann

durch die Fixierung der Membranen quer zum reinigen-

den Wasser-/Luftgemisch verzichtet werden.

Abbildung 2-11 zeigt das Schema eines Modulblocks und

ein anschlussfähiges Modulpaket.

72

Abb. 2-11

Membranmodul der Martin Systems AG [Foto: MARTIN SYSTEMS AG],

links: schematische Darstellung eines Modulblocks, rechts: anschlussfähiges Modulpaket


VRM®-Verfahren mit Rotations-Plattenmodulen und

VUM®-Verfahren der Huber AG, Deutschland

Das VacuumRotationMembrane-System (Huber VRM®-

Verfahren, früher der Martin Systems AG) wird bereits

seit 2001 auf der Kläranlage Knautnaundorf in Sachsen

großtechnisch betrieben. Die eingesetzten Membranmo-

dule (Porengröße ~ 0,04 µm) bestehen aus parallel ange-

ordneten Plattensegmenten (Scheibenpakete), die jeweils

mit einem Anschluss zum Absaugen des Permeats verse-

hen sind (Abbildung 2-12). Der Aufbau der Plattenseg-

mente ist dem der Kubota-Platten ähnlich. Die Scheiben-

pakete sind axial um eine rotierende Hohlwelle angeord-

net und über einen Permeatsammler verbunden, durch

den kontinuierlich im Unterdruckbetrieb das Permeat

abgezogen wird.

Im Zentrum des Scheibenpakets wird über die gesamte

Länge durch eine Verteilereinrichtung kontinuierlich Luft

radial nach oben eingepresst, die zwischen den Platten

aufsteigt. Durch die Rotation des Scheibenpakets wird die

gesamte Membranfläche mit dem aufsteigenden Schlamm-

Wasser-Luft-Gemisch überströmt, so dass eine Deck-

schichtentfernung stattfindet.

Von der Huber AG wird insbesondere für die Anwendung

in kleinen, dezentralen Kläranlagen das Vacuum Upstream

Membrane® Verfahren (VUM®-Verfahren) vertrieben. Da-

bei kommen kleine Plattenmodule mit wenigen Quadrat-

metern Membranfläche zur Anwendung (Abbildung 2-13).

Die einzelnen mit Ultrafiltrationsmembranen be-

spannten Filterplatten im Modul sind parallel angeordnet,

wobei die Abstände variabel sind. Die VUM®-Module wer-

den in die zu filtrierende Flüssigkeit getaucht, und das

Filtrat wird direkt über die Flachmembranen mit einer

Porengröße von 0,04 µm abgesaugt. In einem Spülkasten

unterhalb des Moduls wird das Schlamm-Wasser-Luft-

Gemisch erzeugt, welches die Membranen quer zur Filtra-

tionsrichtung überströmt und damit zur Abreinigung der

Beläge von den Filtrationsoberflächen beiträgt. Die Module

können gestapelt und als Pakete zu mehreren Modulen

zusammengefasst werden, so dass kompakte Filtrations-

einheiten entstehen, die sich an den jeweiligen Einsatz-

fall anpassen lassen.

73

Abb. 2-12

Huber VRM®-Verfahren [Fotos: HANS HUBER AG, MARTIN SYSTEMS AG],

oben: Ansicht einer Filtrationseinheit, unten: Eingebaute Filtrationseinheit auf der KA Knautnaundorf


74

Abb. 2-13

Huber VUM®-Verfahren [HANS HUBER AG], links: Ansicht eines Modulpakets in zweistöckiger Anordnung,

rechts: Ansicht eines Moduls

Abb. 2-14

Membranelement und Membranmodul der Fa. Mitsubishi [Foto: ENVICARE® ]


Modulsystem der Mitsubishi AG

Mitsubishi, u. a. bekannt für seine PKW-Produktion, stellt

auch Membranen zur Filtration von Wasser und Abwas-

ser her und vertreibt diese in einem Modul unter dem

Namen Sterapore-SUN® (siehe Abbildung 2-14). Die Hohl-

fasermembranen aus Polyethylen mit einer Porengröße

von 0,4 µm sind horizontal zwischen Sammelrinnen für

das Permeat eingespannt und werden in den Belebt-

schlamm eingetaucht. Somit sind die Hohlfasern in ihrer

Lage senkrecht zur Aufströmrichtung des Luft-Belebt-

schlamm-Wasser-Gemisches angeordnet. Im Betrieb wird

die Oberfläche der Membranen durch die permanent ein-

geblasene Luft möglichst frei gehalten. Darüber hinaus ist

periodisch eine Rückspülung der Membranen mit Perme-

at vorgesehen. Es können bis zu drei Membranmodule

übereinander angeordnet werden, wobei der relative Luft-

bedarf für drei Module geringer ist als für zwei.

Modulsystem der Fa. A3 Abfall-Abwasser-Anlagen-

technik GmbH

Eine weitere Membranentwicklung aus NRW wird von

der Fa. A3 Abfall-Abwasser-Anlagentechnik GmbH/Hese

Umwelt GmbH vorangetrieben. Das System basiert dabei

auf dem Prinzip der Plattenmembranen (Porengröße ~

0,4 µm), die sich durch eine spezielle Werkstoffauswahl

und ein optimiertes Konstruktionsprinzip kostengünstig

herstellen lassen. Abbildung 2-15 zeigt die Ansicht eines

Prototypen sowie ein Konstruktionsbeispiel. Infolge eines

anderen konstruktiven Aufbaus der Membranplatte ist

bei den von der Fa. A3 entwickelten Membranen – im

Gegensatz zu den Kubota-Plattenmembranen – eine per-

meatseitige Rückspülung möglich. Derzeit liegen mehr-

jährige Erfahrungen bei der Anwendung des Membran-

materials in unterschiedlichen Abwässern vor, z. B.:

• Filtration von Kompostsickerwasser

• Filtration von Gülle

• Filtration von Gärresten aus Biogasanlagen

• Filtration von belebtem Schlamm aus Textilabwasser-

behandlungsanlagen

• Filtration von belebtem Schlamm aus der kommunalen

Abwasserbehandlung

75

Abb. 2-15

Plattenmodul der Firma A3-GmbH [Foto: A3 GMBH], links: Foto der einstöckigen Ausführung,

rechts: Draufsicht auf ein Plattenmodul


Modulsystem der US Filter Corporation

Von der amerikanischen Firma US Filter wird unter dem

Namen MemJetTM ein getauchtes Modulsystem produziert

und vertrieben. Die Membranmodule bestehen aus

gebündelten Kapillarmembranen (Porengröße ~ 0,2 µm),

die an beiden Enden fixiert sind (Abbildung 2-16). Am

Fuß des Moduls wird über eine Zweiphasendüse ein Luft-

Belebtschlamm-Gemisch eingetragen. Durch das aufströ-

mende Gemisch soll die reversible Deckschicht auf den

Membranen nach Herstellerangaben effizient kontrolliert

und eine gute Durchmischung im Membranreaktor

gewährleistet werden, so dass Ablagerungen und Fouling-

bildung auf den Membranen entgegengewirkt wird. Der

Permeatabzug erfolgt am Kopf des Moduls. Abbildung

2-17 zeigt die Draufsicht auf in Klarwasser getauchte

Module.

Modulsystem der Fa. Keppel Seghers Belgium

Das von der Firma Seghers Keppel unter dem Namen

Unibrane® produzierte und vertriebene Modulsystem ist

in seiner konstruktiven Gestaltung mit dem der Firma

Kubota vergleichbar. Das Membranmodul besteht aus

Plattenmembranen der Firma Toray mit einer nominellen

Porengröße von 0,1 µm.

Die Modulanordnung kann an die jeweilige Anwendung

angepasst und sowohl einstöckig als auch zweistöckig

ausgeführt werden. Abbildung 2-17 zeigt die Draufsicht

auf in Klarwasser getauchte Module.

76

Abb. 2-16

Membranmodul der Fa. US Filter Corporation

[Foto: US FILTER CORPORATION]

Permeat

Luft

Belebt-schlamm-Wasser-Gemisch

Abb. 2-17

Membranmodul der Fa. Keppel Seghers Belgium

[Foto: KEPPEL SEGHERS BELGIUM NV]


Modulsystem der Weise Water Systems

GmbH & Co. KG

Das MicroClear Filtersystem besteht aus getauchten Ultra-

filtrationsmodulen, in die Membranen mit einer Poren-

größe von 0,05 µm eingebaut sind. Ein Modul besteht je

nach Anwendungsfall aus 26 bis 40 einzelnen Filterplat-

ten (siehe Abbildung 2-18), die parallel angeordnet sind.

In Abhängigkeit der Beschaffenheit des Rohwassers wer-

den die Filterplatten mit unterschiedlichen Abständen an-

geboten. In die Module wird nach Bedarf intermittierend

fein- bis mittelblasige Luft eingeblasen, wodurch das Be-

lebtschlamm-Wasser-Gemisch aufströmt. So entstehen an

den Membranoberflächen Scherkräfte, die zur Kontrolle

der reversiblen Deckschicht beitragen. Zur Entfernung der

Deckschicht wird der Filtrationsbetrieb in bestimmten

Zeitabständen unterbrochen und die Module in dieser

Zeit intervallweise belüftet. Das Rohwasser wird von

außen nach innen über die Membranen filtriert und das

Permeat durch Unterdruck an der Stirnseite des Moduls

über eine Sammelleitung abgezogen. Entsprechend der

benötigten Kapazität können 1 bis 100 MicroClear Filter

in einem Rahmen nebeneinander und übereinander (ein-

und zweistöckig) angeordnet werden (Abbildung 2-18).

77

Abb. 2-18

Modulsystem der Weise Water Systems GmbH & Co. KG [WEISE WATER SYSTEMS GMBH & CO. KG],

links: Aufbau eines Filterelements, rechts: Filtersystem in zweistöckiger Anordnung

Spacer

Filterplatte

Membran

Filtratauslässe

Die Belüftungseinrichtung besteht aus mit Schlitzen ver-

sehenen Rohrbelüftern.

Zur Kontrolle der Deckschicht werden die Membranmo-

dule bei der Filtration von Belebtschlamm von unten mit

grobblasiger Luft beaufschlagt. Besondere Vorteile der

keramischen Membranen erwartet der Hersteller durch

die hohe thermische und chemische Beständigkeit und

eine lange Standzeit sowie dem damit verbundenen brei-

teren Anwendungsgebiet.

Modulsystem des Fraunhofer IGB, Stuttgart

Der Rotations-Scheibenfilter (RSF) des Fraunhofer Insti-

tuts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB)


Neuentwicklungen bei Membranmodulen aus

Deutschland

Modulsystem der ItN Nanovation

Das Modulsystem der Firma ItN Nanovation besteht aus

getauchten Modulen, die aus keramischen Platten-

membranen (Abbildung 2-19) aufgebaut sind. Als Werk-

stoff der Membranen wird vom Hersteller für die Träger-

schicht �-Al2O3 und die aktive Trennschicht �-Al2O3, TiO2

oder ZrO2 angegeben. Die Membranen sind mit unter-

schiedlichen Trenngrenzen aus dem Bereich der Mikro-

und Ultrafiltration lieferbar.

Ein Modul verfügt über 86 Membranplatten mit einem

Plattenabstand von 7 mm, wobei die aktive Membranflä-

che eines Moduls ca. 11 m2 beträgt. Maximal 8 Module

können zu einem Rack zusammengefügt werden.

78

Abb. 2-19

Keramische Plattenmembranen der Firma ItN

Nanovation [Foto: ItN NANOVATION]

Abb. 2-20

Membranmodul und Konfiguration der Module im Rack mit darunter liegender Belüftungseinrichtung

[Fotos: ItN NANOVATION]


besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem ein

Stapel von Membranfilterscheiben auf einer rotierenden

Hohlwelle befestigt ist (Abbildung 2-21). Die Umdre-

hungsgeschwindigkeit variiert nach Art und Konzentra-

tion der Abwasserinhaltsstoffe im Bereich von 200 bis

500 U/min. Der RSF kann trocken aufgestellt oder als

getauchtes System betrieben werden.

Die Membranen bestehen aus einem keramischen

Material und zeichnen sich im Betrieb durch hohe Per-

meatflüsse aus. Momentan sind Keramikscheiben mit

Außendurchmessern von 152 mm und 312 mm und 6

Trenngrenzen erhältlich. Die Abbildung 2-22 zeigt ein

trocken aufgestelltes Labormodul mit Druckgehäuse.

Als getauchtes System eingesetzt, fehlt bei dem RSF das

Druckgehäuse. Das Permeat passiert die Trennschicht auf

der Membranscheibe von außen nach innen und wird

über die Hohlwelle abgezogen.

Die Deckschichtkontrolle erfolgt beim RSF durch das er-

zeugte Zentrifugalkraftfeld, welches die auf der Filterschei-

be haftende und deshalb mitrotierende laminare Grenz-

schicht nach außen abfließen lässt und somit für eine

ständige Deckschichterneuerung sorgt.

79

Rotierende Hohlwelle

Membranfilterscheiben

Zylindrisches Gehäuse

Zulauf

Feststoff-austrag

Filtrat

Abb. 2-21

Prinzipskizze des Rotationsscheibenfilters (RSF)

Abb. 2-22

Module des Rotations-Scheibenfilters im Labor-

maßstab [Foto: FRAUNHOFER IGB]


Wie die Ergebnisse aus dem Betrieb von Pilotanlagen zei-

gen, ist der RSF unempfindlich gegenüber Verstopfungen

und Verzopfungen Dadurch ist der Einsatz des RSF auch

zur Filtration von gefaultem Klärschlamm geeignet. Auf

der Kläranlage Heidelberg wird zurzeit eine Demonstra-

tionsanlage zur Filtration des Klärschlamms betrieben,

und auf der Kläranlage Tauberbischhofsheim wird im Jahr

2005 eine großtechnische Anlage zur Filtration des Klär-

schlamms errichtet. In beiden Anlagen werden Keramik-

membranen mit einer Porengröße von 0,2 µm eingesetzt.

Sonstige Modulsysteme zur Trennung von

Belebtschlamm und Wasser

Neben den zuvor beschriebenen Modulsystemen existie-

ren weitere, die aber in Deutschland (wie auch einige

der oben genannten) bislang nicht großtechnisch in der

kommunalen Abwasserreinigung eingesetzt werden. Einige

der Hersteller für verschiedene Modulsysteme verfügen

jedoch über Referenzen im europäischen, amerikanischen

und asiatischen Raum, wie z. B. Module für getauchte

Systeme der Firmen Rhodia und Norit. Die Zahl der An-

bieter und der Neuentwicklungen von Modulen nimmt

seit einigen Jahren kontinuierlich zu.

2.1.3

Planung und Betrieb von Membranbelebungs-

anlagen

Bedingt durch die „neue“ Verfahrenskomponente Mem-

branstufe ergeben sich gegenüber der konventionellen

Abwasserreinigung bemessungsspezifische, konstruktive

und betriebliche Unterschiede. Hierzu werden die maß-

geblichen Aspekte im Folgenden zusammengestellt. Sie

basieren auf Erkenntnissen aus den ersten Betriebsjahren

großtechnischer Anlagen, einer Vielzahl von labor- und

halbtechnischen Untersuchungen – zu nennen sind

dabei auch die Erkenntnisse aus den Niederlanden (Ver-

suchsfeld Beverwijk) [v.d. ROEST ET AL. 2002] – und den

Veröffentlichungen des DWA-Fachausschusses KA 7 –

Membranbelebungsverfahren [ATV-DVWK 2000a; DWA

2005]. Dieser Ausschuss, in dem Betreiber, Hersteller und

Wissenschaftler vertreten sind, erarbeitet ein entspre-

chendes Arbeitsblatt für Membranbelebungsstufen in

Analogie zum Arbeitsblatt ATV-DVWK-A-131, so dass in

einigen Jahren ein verbindliches Regelwerk zu erwarten

ist. In nachfolgender Zusammenstellung werden im Vor-

griff dazu die Abweichungen gegenüber der Bemessung,

der Gestaltung und dem Betrieb konventioneller Bele-

bungsstufen fokussiert. Diese betreffen insbesondere

• die Vorbehandlung des Rohabwassers (mechanische

Abwasserreinigung),

• die verfahrenstechnische Gestaltung und Bemessung

der Belebungsstufe,

• die Bemessung der Belüftungseinrichtungen,

• die Gestaltung der Schlammbehandlung,

• den Betrieb der Membranstufe einschließlich der

durchzuführenden Membranreinigung und

• geänderte Randbedingungen bzw. Sicherheiten für

mögliche Störfälle.

2.1.3.1

Bemessung

Die Bemessung einer Membranbelebungsstufe kann nach

den Grundsätzen der Bemessung für konventionelle Bele-

bungsstufen, d. h. nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A-

131 [ATV-DVWK 2000c] oder nach Hochschulgruppenan-

satz [DOHMANN ET AL. 1993] erfolgen. Aufbauend und

ergänzend dazu wurde vom Institut für Siedlungswasser-

wirtschaft der RWTH-Aachen in der ersten Hälfte des Jahres

2005 ein Upgrade für das Bemessungstool „ARA-BER" her-

ausgebracht. Das Upgrade basiert auf einer mit Mitteln

der Oswald-Schulze-Stiftung und des Landes Nordrhein-

Westfalen finanzierten Version des Bemessungsprogramms.

Im Vergleich zur konventionellen Bemessung, bei der

aufgrund der Interaktionen zwischen Belebungs- und

Nachklärbecken eine iterative und stark verknüpfte Be-

messung von Belebungsbecken- und Nachklärbecken-

volumina zu erfolgen hat, ist dies bei einer Membran-

belebungsstufe nicht erforderlich. Membranstufe und

Belebungsbecken können unter den im Folgenden aufge-

führten Rahmenbedingungen weitgehend getrennt von-

einander ausgelegt werden.

80


Ein Beispiel zu der Bemessung einer Membranbelebungs-

anlage auf Basis der nachfolgenden Empfehlungen ist in

Kapitel 2.5 erläutert.

Die Bemessung der Belebungsbecken erfolgt dabei

für Schlammalter < 30 Tage nach den bewährten o. g.

Bemessungsverfahren der ATV oder des Hochschulgrup-

Bis heute werden sämtliche bestehenden und geplanten

großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommu-

nalen Abwasserreinigung in Deutschland mit Schlamm-

belastungen von BTS,BSB5 � 0,08 kg BSB5/kg TS, d. h. für

eine Stickstoffelimination bei simultan-aerober Schlamm-

stabilisierung (Schlammalter � 25 d), ausgelegt.

Während bei konventionellen Belebungsstufen der Fest-

stoffgehalt (TSBB) und der Schlammindex (ISV) in der

Belebungsstufe sowohl in die Größe des Belebungs- als

auch des Nachklärbeckens Eingang findet, ist dieses bei

Membranbelebungsstufen nicht der Fall. Prinzipiell kann

hier der TSBB für die Festlegung des Belebungsbeckenvolu-

mens frei gewählt werden. In der Praxis haben sich aber

für den Betrieb der Membrananlagen TSBB im Bereich von

10 bis 15 g/l bewährt, da in diesem Bereich das Schlamm-

Wasser-Gemisch gut filtrierbar und der Sauerstoffeintrag

wirtschaftlich zu gewährleisten ist. Der Schlammindex

wird bei der Bemessung von Membranbelebungsanlagen

nicht berücksichtigt.

Infolge des höheren TSBB in Membranbelebungsstufen

von 10 bis 15 g/l, je nach Modulart und Herstelleremp-

fehlungen, ergeben sich bei gleicher Schlammbelastung

im Vergleich zu konventionellen Belebungsstufen um 3-

bis 4fach kleinere Belebungsbeckenvolumina. Das

geringere Belebungsbeckenvolumen sowie das bei Mem-

brananlagen nicht vorhandene Volumen der Nachklär-

penansatzes. Bei höherem Schlammalter sind die in

Abbildung 2-23 dargestellten Auslegungsempfehlungen

des DWA-Fachausschusses KA-7 Membranbelebung [ATV-

DVWK 2000a; DWA 2005] zu berücksichtigen, da infolge

des höheren Schlammalters die üblichen Ansätze zur

Ermittlung des Überschussschlammanfalls keine Gültig-

keit besitzen.

81

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

ÜS B

SB5 [

kg T

S/kg

BSB

5]

0,001 0,01 0,1 1

Schlammbelastung [kg BSB5/(kg·TS·d)]

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

Bemessungsbereich

minimale ÜS-Produktion Nährstoffelimination tTS=15d

TS0/BSB5

Abb. 2-23

Spezifische Überschussschlammproduktion in Membranbelebungsstufen [ATV-DVWK 2000a]


becken haben Relevanz für das Puffervermögen und die

Abbauleistung infolge geringerer Durchflusszeiten.

Zur Einhaltung der Einleitanforderungen bzgl. der Stick-

stoffparameter sollte daher für den kritischen Bemes-

sungsfall eine Mindestdurchflusszeit im Belebungs-

becken eingehalten werden. Die Empfehlung einer erfor-

derlichen Mindestdurchflusszeit von 6 h (bzw. 8 h bei

weitergehenden Anforderungen) bei einer Bemessungs-

temperatur von 10 °C für den kritischen Bemessungsfall

kann unterschritten werden, wenn das dazu erforderli-

che Volumen der Membrananlage größer wäre als das

Belebungsbeckenvolumen, das sich bei der konventio-

nellen Auslegung mit einem Volumenzuschlag von bis

zu 50 % ergibt (bei einem gewählten TSBB = 10 bis 15 g/l

in der Belebungsstufe). Dabei muss unbedingt beachtet

werden, dass das Nitrifikationsvolumen der Membranan-

lage (mit VDeni, MBR / VNitri, MBR = 1) infolge der Volumenbe-

schränkung (VMBR, max = 1,5 · VBB, konventionell, 10-15 g TS/l) nicht

kleiner als das erforderliche Nitrifikationsvolumen bei

konventioneller Auslegung wird (bei einem gewählten

TSBB = 10 bis 15 g/l in der Belebungsstufe). Die erforder-

lichen Beckenvolumina können sowohl durch entspre-

chend groß dimensionierte Belebungsbecken als auch

durch alternativ zu errichtende Misch- und Ausgleichs-

becken vorgehalten werden. Die Empfehlungen hin-

sichtlich der erforderlichen Durchflusszeit, des Verhält-

nisses zwischen Nitrifikations- und Denitrifikationsvolu-

men der Membrananlage sowie der Volumenbeschrän-

kung auf das 1,5-fache Belebungsbeckenvolumen bei

einer konventionellen Auslegung (bei einem gewählten

TSBB = 10 bis 15 g/l in der Belebungsstufe) beruhen auf

Simulationsstudien, die am Institut für Siedlungswasser-

wirtschaft der RWTH Aachen durchgeführt wurden.

Dabei wurden die Ablaufkonzentrationen einer fiktiven

konventionellen Kläranlage und einer fiktiven Mem-

branbelebungsanlage mit einer Anschlussgröße von

100.000 E unter Variation des Membranbelebungsvolu-

mens modelliert. Unter der Annahme, dass der Standard-

parametersatz (Z.B. BORNEMANN ET AL. 1998 für das

Activated Sludge Model No. 1) auch für Membranbele-

bungsanlagen gültig ist, der Berücksichtigung eines

Schwankungsfaktors von 1,7 und einer vorgegeben Be-

messungslast ergaben sich für beide simulierten Kläran-

lagen vergleichbare Ablaufkonzentrationen bei einem

Volumen der Membranbelebungsstufe, welches zu einer

hydraulischen Verweilzeit von sechs Stunden beim kriti-

schen Lastfall führt.

Der kritische Lastfall kann bei Mischwasserzufluss infolge

von Spülstößen mit gleichzeitig auftretenden NH4-N-

Konzentrationsspitzen im Zulauf auftreten. Treten dage-

gen keine derartigen Konzentrationsspitzen bei Misch-

wasserzufluss auf, sondern es sind tageszeitlich bedingte

Konzentrationsspitzen bei Trockenwetterzufluss zu erwar-

ten, ist der kritische Lastfall anhand von aufgezeichneten

Konzentrationsganglinien über einen repräsentativen

Zeitraum darzulegen.

Die Empfehlung einer Mindestdurchflusszeit von 6 h

beim maßgebenden Lastfall und einer Bemessungstempe-

ratur von 10 °C gibt den derzeitigen Stand des Wissens

wieder. Durch den Gewinn an Erkenntnissen aus dem

Betrieb von Membranbelebungsanlagen werden die der-

zeitigen Empfehlungen zur Bemessung von Membranbe-

lebungsanlagen weiterentwickelt.

Das geringere Reaktorvolumen von Membranbelebungs-

anlagen wirkt sich nicht nur auf das mögliche Durch-

schlagen von Zulaufspitzen, sondern auch auf die Leis-

tungsfähigkeit der Denitrifikation aus. Diese ist bei den

großtechnischen Membranbelebungsanlagen bislang als

vorgeschaltete Denitrifikation ausgebildet. Infolge des

geringeren Belebungsbeckenvolumens können uner-

wünschte Effekte auftreten, wie z. B. eine vermehrte Sau-

erstoffverschleppung aus dem Nitrifikations- oder Filtra-

tionsbereich in die Denitrifikationszone. Hohe Rezirkula-

tionsraten aus dem Filtrationsbereich verstärken dies.

Um die Auswirkungen einer vermehrten Sauerstoffver-

schleppung zu reduzieren, ist im Gegensatz zu der Be-

messung konventioneller Belebungsstufen die Größe des

Denitrifikationsbereichs in etwa der Größe des Nitrifika-

tionsbereichs (VDN : VN = 1) gleichzusetzen. Um unter-

schiedlichen Betriebszuständen Rechnung zu tragen, ist

ein Teil des Belebungsbeckens als Variobereich zu gestal-

ten. Dieser Bereich, mit einem Volumen von ca. 30 – 50 %

des Denitrifikationsvolumens, ist den betrieblichen An-

forderungen entsprechend im Belebungsbecken anzuord-

nen. Auch kann der Filtrationsbereich auf das Nitrifikations-

volumen angerechnet werden, wobei sowohl die Betriebs-

weise der Belüftung der Module als auch ein geringerer

82


Sauerstoffeintragswert berücksichtigt werden müssen

(vgl. Pkt. Belüftungsbedarf Membranmodule).

Generell sollten zur Vermeidung von Sauerstoffverschlep-

pungen in den Denitrifikationsbereich bzw. zur Optimie-

rung der Sauerstoffausnutzung im Nitrifikationsbereich

Beruhigungszonen vor der Schlammrückführung vorgese-

hen werden.

Darüber hinaus bietet es sich bei einem räumlich ge-

trennten Filtrationsbereich an, den Rücklaufschlamm aus

der Filtration nicht in die Denitrifkations-, sondern in die

Nitrifikationszonen zurückzuführen. Hierdurch sind beide

internen Schlammkreisläufe – Rezirkulationsschlamm zur

Denitrifikation aus der Nitrifikationsstufe und Rücklauf-

schlamm aus der Membranstufe – voneinander getrennt

einstellbar.

Die genannten Maßnahmen können zur Verkleinerung

des VDN- zu VN-Verhältnisses beitragen.

Um Phosphorablaufwerte gemäß den Einleitanforderungen

zu erreichen, ist eine Phosphatfällung gemäß den etablier-

ten Empfehlungen (z B. ATV-DVWK-A131 [ATV-DVWK

2000c]) durchzuführen. Üblicherweise wird eine Fällmit-

telzugabe in die Belebungsstufe, d.h. eine Simultanfällung,

praktiziert. Der bei einer simultanen Phosphatelimina-

tion erhöhte spezifische Überschussschlammanfall kann

gemäß Arbeitsblatt ATV-A202 ermittelt werden [OHLE 2001].

Bemessung der Membranfiltrationsstufe

In Analogie zum konventionellen Belebungsverfahren ist

bei Membranbelebungsstufen die Phasenseparation, d. h.

die Membranstufe, zu dimensionieren. Im Gegensatz zu

konventionellen Belebungsstufen hat der gewählte Be-

messungsfeststoffgehalt TSBB im für Membranbelebungs-

anlagen üblichen Bereich von 10 bis 15 g/l einen nicht

quantifizierbaren Einfluss auf die Auslegung der zu instal-

lierenden Membranfläche. Eingang in die Bemessung

der Membranstufe bzw. die Berechnung der erforder-

lichen Membranfläche finden

• der maximale Zufluss zur Membranbelebungsstufe bzw.

der maximale Ablaufvolumenstrom sowie

• die Leistungsdaten der eingesetzten Membranmodule

(flächenspezifischer Fluss) in Abhängigkeit von Eigen-

schaften des zu filtrierenden Mediums (Temperatur,

Viskosität etc.).

Die Membranfläche sollte dabei derart bemessen werden,

dass die zu Grunde gelegten flächenspezifischen Flüsse

einen dauerhaften, stabilen Betrieb der Membranmodule

– auch bei Spitzenzuflüssen – ermöglichen. Kurzzeitige,

d.h. wenige Stunden dauernde Überschreitungen der

maximalen Flüsse sind zwar möglich, sollten jedoch im

Hinblick auf den langfristigen Erhalt einer hohen Per-

meabilität vermieden werden. Übliche Permeabilitäten

liegen bei neuen bzw. gereinigten Membranen im Bereich

oberhalb von 150 – 200 l/(m2· h · bar), eine Intensivreini-

gung ist üblicherweise bei einer Permeabilität < 100 l/

(m2· h · bar) durchzuführen.

Sieht das Anlagenkonzept vor, dass sich permanent eine

oder mehrere Modulkassetten oder sogar Filtrationsstra-

ßen in einem Reinigungszyklus befinden (z. B. bei großen

Anlagen), so sind diese in der Reinigung befindlichen Flä-

chen bei der Bemessung der Membranfläche für den Last-

fall nicht anzusetzen.

Bei der Ermittlung der notwendigen Membranflächen

sind zudem interne Prozesswassermengen, z. B. aus der

Siebreinigung, zu berücksichtigen.

Auf Basis der Erfahrungen der im Betrieb befindlichen

Membranbelebungsanlagen können mit den auf dem

Markt derzeit zur Verfügung stehenden Membranmodulen

Bemessungsflüsse, d.h. Nettoflüsse, basierend auf

dem Ablauf der Gesamtanlage, für die Membranfläche

von 25 l/(m2 · h ) bei Temperaturen des Schlamm-Wasser-

Gemisches von 8 °C angesetzt werden. Bei einer Bemes-

sungstemperatur von 10 °C darf dieser Wertebereich um

15 % höher gewählt werden [ATV-DVWK 2000a].

Auslegung der Belüftungseinrichtungen

Beim Membranbelebungsverfahren führt der höhere TS-

Gehalt im Belebungsbecken zu höheren Viskositäten der

Belebtschlamm-Wasser-Suspension im Vergleich zu kon-

ventionellen Belebungsstufen. Dies wirkt sich wiederum

auf den Stoffübergang und damit auf den Sauerstoffein-

tragskoeffizienten � aus, wie Abbildung 2-24 zeigt.

83


Bei der Bemessung der Belüftungseinrichtungen für den

Sauerstoffeintrag ist diesem Rechnung zu tragen, da Sau-

erstoffeintragsmessungen in den Belebungsbecken der

Kläranlagen Markranstädt und Rödingen eine Abnahme

des �-Wertes mit steigendem Trockensubstanzgehalt

gezeigt haben (Abbildung 2-24). Bei einem TS-Gehalt von

7 g/l wurden �-Werte von 0,75 gemessen, diese gingen

bei einem TS-Gehalt von 17 g/l auf 0,4 zurück.

Wird bei einer Bemessung einer Membranbelebungsstufe

der üblicherweise angesetzte TSBB von 12 g/l zu Grunde

gelegt, sollte für den Sauerstoffeintrag ein �-Wert von 0,6

gewählt werden. Dieser entspricht in etwa �-Werten kon-

ventioneller Anlagen mit feinblasiger Belüftung [CORNEL

ET AL. 2001].

Die notwendige Belüfterleistung für die Überströmung

der Membranmodule kann – je nach Modul – mit 7,5 bis

25 W/m2 installierte Membranfläche abgeschätzt werden.

Da der Belüftungsbedarf sowie die Belüftungsstrategien

(grob-, mittelblasig, permanent, intermittierend) sehr von

den Modulherstellerkonzepten abhängen, erfolgt die Aus-

legung der Belüftung üblicherweise seitens der Hersteller.

Weitere Reduzierungen des Belüftungsbedarfs für die

Membranstufe infolge verbesserter Modulkonzepte sind

zukünftig zu erwarten (siehe Kapitel 2.1.2).

Mit der Belüftung der Membranmodule findet auch ein

Sauerstoffeintrag statt, der für den biologischen Abbau

angerechnet werden kann. Der zugehörige �-Wert sollte

mit 0,17 bis 0,20 (TSBB = 16 bis 10 g/l) angesetzt werden.

[SEYFRIED 2002]

Schlammbehandlung

Die ersten Erfahrungen bei der Behandlung von Schlämmen

aus Membranbelebungsanlagen zeigen, dass sich bezüg-

lich der Stoffeigenschaften nur unwesentliche Abwei-

chungen gegenüber den aerob-stabilisierten Schlämmen

aus konventionellen Anlagen ergeben. So haben Versuche

zur Entwässerung des aerob stabilisierten Schlamms auf

der KA Rödingen sowie der Pilotanlage Büchel gezeigt,

dass mit den üblichen Aggregaten (Kammerfilterpresse,

Zentrifuge) bei gleichen Betriebsbedingungen und einem

vergleichbaren Flockungshilfsmittelbedarf Trockenrück-

stände von 25 bis 30 % erreichbar sind [ENGELHARDT

84

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

alp

ha-

Wer

t [-

]

0

Markranstädt

5 10 15 20

TS-Gehalt [g/l]

Rödingen

Abb. 2-24

Sauerstoffübergangskoeffizienten (�-Werte) der KA Rödingen und Markranstädt bei einer feinblasigen

Druckbelüftung [CORNEL ET AL. 2001]


ET AL. 2001; N.N. 2002c; DICHTL, KOPP 1999; BRANDS ET

AL. 2000; VAN DER ROEST 2001; DRENSLA ET AL. 2001].

Auch bezüglich der Faulbarkeit von Membranschläm-

men wurden anhand der spezifischen Faulgasproduktion

ähnliche Werte festgestellt wie für Schlämme aus konven-

tionellen Anlagen mit simultan aerober Schlammstabili-

sierung [BRANDS ET AL. 2000; VAN DER ROEST 2001].

2.1.3.2

Konstruktive und planerische Gestaltung

Membranbelebungsanlagen unterscheiden sich im Hin-

blick auf die konstruktive und planerische Gestaltung

nicht wesentlich von konventionellen Belebungsanlagen.

Dies betrifft auch Überlegungen zu möglichen Störfallsze-

narien, die z. B. bei einer Genehmigungsplanung anzu-

stellen sind. Nachfolgend werden daher nur die Aspekte

aufgeführt, die bei Membranbelebungsanlagen gesondert

im Vergleich zu konventionellen kommunalen Abwasser-

reinigungsanlagen zu berücksichtigen sind.

Mechanische Vorbehandlung

Der mechanischen Reinigung des zufließenden Abwassers

kommt beim Membranbelebungsverfahren eine besonde-

re Bedeutung zu. Wie großtechnische Erfahrungen zei-

gen, neigen die eingesetzten Membranmodule zu Verzop-

fungen und infolgedessen zu Verschlammungen [BAUM-

GARTEN 2001a]. Daraus resultiert eine unzureichende

Membranüberströmung, die wiederum zu geringeren Filtra-

tionsleistungen führt oder sogar Beschädigungen der Mem-

branen verursachen kann [ENGELHARDT ET AL. 2001].

Daher ist das Rohabwasser deutlich sorgfältiger von Stör-

stoffen wie Fetten, Haaren oder sonstigen Grobstoffen zu

befreien, als dies bei konventionellen Belebungsanlagen

der Fall ist. Die Güte der Vorbehandlung ist dabei neben

der Zuflussbeschaffenheit auch vom eingesetzten Mem-

branmodul abhängig. So wird für den Einsatz von Kapil-

larmembranen eine mechanische Vorreinigung be-

stehend aus einem Rechen im Zulaufbereich (3 bis 5 mm),

einem Sand- und Fettfang, gefolgt von einem Feinrechen

bzw. -sieb mit einer Spalt- bzw. Maschenweite von < 1 mm

empfohlen [MEYER 2001; DRENSLA 2001]. Erfahrungen

mit Plattenmodulen zeigen, dass eine Vorbehandlung mit

einem 3-mm-Rechen sowie einem Sand- und Fettfang

als ausreichend anzusehen ist, da diese eine geringere

Verzopfungsneigung aufweisen [N. N. 2002c].

Um den Anforderungen an die Vorbehandlung bei Mem-

branbelebungsanlagen gerecht zu werden, wurden seitens

der Rechen- bzw. Siebanlagenhersteller bereits neue Pro-

dukte entwickelt. Beispiel hierfür ist der von der Huber

AG angebotene Membrane-Screen (Abbildung 2-25) zur

Feinstsiebung des Rohabwassers im Zulauf einer Mem-

branbelebungsstufe.

85

Abb. 2-25

Prinzipskizze und Ansicht einer Siebanlage für

Membranbelebungsanlagen (Kläranlage Markran-

städt) [HUBER 2002, STEIN 2002a]


Anlagengestaltung im Hinblick auf Störfallszenarien

Im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen sind

bei Membranbelebungsanlagen Überlegungen zu Störfäl-

len anzustellen, die sich auf die Leistung der Membran-

stufe auswirken. Letztlich stellt ein Totalausfall der Mem-

branstufe den größten anzunehmenden Störfall für diese

Anlagen dar, ähnlich wie dies bei konventionellen Anla-

gen für das Versagen der Nachklärbecken gilt.

Daher sind die Vorreinigungsstufen (Rechen, Sand- und

Fettfang sowie ggf. Leichtstoffabscheider) von Membran-

belebungsanlagen, die maßgeblich für die dauerhafte

Funktion der Membranen sind, so zu gestalten, dass ein

Versagen – auch bei Havarien im Einzugsbereich der Klär-

anlage – unter üblichen Störfallannahmen bei kommuna-

len Kläranlagen ausgeschlossen werden kann.

Notfalls ist bei kritischen Einleitungen infolge von Hava-

rien im Einzugsbereich von Kläranlagen der Zulauf in die

Membranbelebungsstufe zu unterbinden, um sowohl eine

toxische Schädigung der Biomasse als auch eine Beschädi-

gung der Membranen zu vermeiden. Dieses kann durch

spezielle Sonden (z. B. Leitfähigkeitsprofilsonden) im Ein-

laufbereich der Kläranlage geschehen, so dass im Falle von

Havarien eine Aktivierung von Kanalvolumen, Stauraum-

kanälen, Regenüberlaufbecken vor der Kläranlage oder

sonstiger Pufferbecken auf der Kläranlage (z. B. nicht

genutzte Vorklärbecken) erfolgen kann. Das Speichervolu-

men sollte so bemessen sein, dass bei Mischwasserzufluss

der Zulauf zur Membranbelebungsanlage 2 h gespeichert

werden kann. Dabei kann das unter 2.1.3.1 genannte

Misch- und Ausgleichsbeckenvolumen im Hinblick auf die

einzuhaltende Mindestdurchflusszeit angerechnet werden.

Hingegen darf Stau- oder Speichervolumen, das für die

Einhaltung der Kriterien an die Mischwasserbehandlung

(Arbeitsblatt ATV-A 128) erforderlich ist, nicht auf das zu

errichtende Puffervolumen angerechnet werden.

Denkbar ist auch die Errichtung von Tauchwänden und

Abzugseinrichtungen, um bei kritischen und nicht zuläs-

sigen Indirekteinleitungen, wie z. B. Öl, Benzin, eine

unmittelbare Beaufschlagung der Membranen ausschlie-

ßen zu können.

Anlagengestaltung im Hinblick auf die Anordnung

der Membranflächen und Reaktoren

Die Membrantrennstufe sollte bei Anlagenneuerrichtungen

grundsätzlich zweistraßig bei einer hydraulischen Entkopp-

lung beider Straßen, d. h. separate Becken einschließlich

Peripherie, gestaltet werden, um einen separaten Betrieb

jeder Straße für den gesamten Zufluss aus dem Belebungs-

becken zu ermöglichen. Das System ist hydraulisch auf die-

se Zuflussmengen auszulegen. Zuschläge für die Permeat-

leistung der Membranen sind dann erforderlich, wenn bei

der Bemessung der Anlage auf Qmax die Leistungsreserven

der Membranen bereits voll ausgeschöpft wurden.

Gleiches gilt für drei- und vierstraßige Anlagen, bei denen

der Ausfall einer Straße planerisch zu berücksichtigen ist.

Bei mehrstraßigen (> 4) Anlagen sollten die Membranstu-

fen so ausgelegt werden, dass mit 80 % der zur Verfügung

stehenden Membranfläche die maximalen Wassermengen

unter Bemessungsbedingungen behandelt werden können.

Die konstruktive Gestaltung der Membranstufen ist so

vorzunehmen, dass bei einem notwendigen Membraner-

satz die o. g. minimal erforderliche Membranfläche bei

Kläranlagen < 10.000 E (entsprechend einem Mischwas-

serzufluss Qm < ca. 246 m3/h bzw. einem Tageszufluss

Qd < ca. 2.250 m3/d) kurzfristig aus- und eingebaut,

getauscht oder ggf. gereinigt werden kann. Seitens der

Membranlieferanten ist zu gewährleisten, dass die not-

wendigen Membranflächen in zwei bis drei Werktagen

verfügbar, liefer- und montierbar sind. Bei einstraßigen

Anlagen müssen zudem die Membranflächen im laufen-

den Betrieb (gefüllte Becken) montierbar sein.

Für Anlagen mit mehr als 10.000 E (entsprechend einem

Mischwasserzufluss Qm > ca. 246 m3/h bzw. einem Tages-

zufluss Qd > ca. 2.250 m3/d)1) haben die beiden letztge-

nannten Forderungen jedoch eher eine untergeordnete

Bedeutung, da infolge von Verdünnungseffekten selbst

bei störfallbedingten Indirekteinleitungen die Schädigung

der gesamten Membranstufe sehr unwahrscheinlich

erscheint. Zudem können größere Anlagen mehrstraßig

konzipiert werden, sofern ausreichende Leistungsreserven

vorhanden sind.

86

1) Annahmen gemäß Planung ATV-DVWK-A131 [ATV-DVWK 2000c]: Xs = 14h/d, xf = 24h/d, spez. Fremdwasseranfall = 0,5 · Qs, Qm = 2 · Qs + Qf


Mess-, Steuer-, Regeltechnik

Über die heutzutage übliche MSR-Technik auf kommuna-

len Kläranlagen hinaus sind bei Einsatz der Membran-

technik zusätzliche Messgrößen aufzunehmen. Diese

betreffen insbesondere die Beobachtung der Permeabili-

tätsentwicklung der Membranen, die zumindest je Straße

separat zu erfassen ist. Dies ist notwendig, um ggf. recht-

zeitig Reinigungen durchzuführen, so dass eine ausrei-

chende Permeatleistung vorgehalten werden kann.

Für diese Messungen sind der Saugdruck und der Durch-

fluss online aufzunehmen, wobei konstruktive Maßnah-

men und hydrostatische Einflüsse auf die Druckmessung

berücksichtigt sowie Störeinflüsse bei der Durchflussmen-

genmessung auszuschließen sind.

Darüber hinaus sind zum Betrieb und zur Reinigung der

Module Anforderungen gemäß Herstellerempfehlungen

(z. B. Lauf-/Pausenzeiten, ggf. Rückspülzeiten und -volu-

menströme, Umgang mit Störfallmeldungen etc.) einzu-

halten.

Stromversorgung

Bei Stromausfällen sollte eine Notstromversorgung ähn-

lich wie bei konventionellen Anlagen vorgesehen wer-

den, falls nicht eine zweiseitige Stromeinspeisung auf der

Kläranlage erfolgen kann. Dabei ist in jedem Falle eine

Versorgung der Prozessleittechnik sowie der Permeation

und der Strombedarf für eine minimale Modulbelüftung

(ca. 25 - 30 % des Bemessungswertes) anzusetzen.

Denkbar sind auch Pufferbehälter oder Reserven bei den

Freibordhöhen der Reaktoren, um einen Aufstaubetrieb

für einen kurzen Zeitraum zu ermöglichen.

Membranreinigung

Für den Erhalt der Filtrationsleistung ist regelmäßig eine

Reinigung der Membranmodule durchzuführen, die ent-

weder im Belebungs-/Filtrationsbecken selbst oder in

separaten Becken erfolgen kann. Je nach Membranher-

stellerkonzept ist für das separate Becken oder die Reini-

gungslösung eine Beheizung vorzusehen.

Da die zum Einsatz kommenden Reinigungsmittel stark

ätzend, oxidierend oder korrosiv sind, müssen Anforde-

rungen sowohl an die Auswahl von Werkstoffen für

betroffene Becken (z. B. Kunststoffversiegelungen) und

Aggregate (z. B. Edelstahl, PE) als auch an den Arbeits-

schutz (z. B. Abzugseinrichtungen für entstehende Gase

(Chlor) gemäß den Empfehlungen nach GefStoffV oder

DVGW für MAK-Werte) in die Planung einfließen.

Für die Vorratshaltung der Chemikalien, die zur Anmi-

schung der Reinigungslösungen benötigt werden (siehe

Kapitel 2.1.3.3) sind geeignete Vorratsbehälter oder Lager-

räume vorzusehen.

2.1.3.3

Betrieb

Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung

Für einen sicheren Betrieb einer Membranbelebungsstufe

hat die Gewährleistung einer ausreichenden Filtrations-

leistung einen ähnlich hohen Stellenwert wie die Gewähr-

leistung der Absetzbarkeit des Belebtschlamms in einem

Nachklärbecken. Während jedoch bei konventionellen

Anlagen auf die Absetzeigenschaften der belebten Schläm-

me nur begrenzt Einfluss genommen werden kann – zu

nennen sind beispielsweise Schwimmschlamm, Bläh-

schlamm oder Schaumprobleme – so kann im Gegensatz

dazu die Filtrationsleistung bei Membranbelebungsanlagen

durch regelmäßige betriebliche Maßnahmen, d. h. Mem-

branreinigungen, aufrechterhalten werden.

Diese Membranreinigungen sind für alle auf dem Markt

angebotenen Membranen erforderlich, da trotz ausrei-

chend wirksamer Vorbehandlung und Modulbelüftung

die Permeabilität und damit bei gleichem transmembra-

nen Druck die Flussleistung der eingesetzten Membran-

module ausgehend von der Bemessungsflussrate von z.B.

25 l/(m2 · h) im Laufe der Betriebszeit kontinuierlich ab-

nimmt. Die Leistungsabnahme ist auf eine Erhöhung des

Filtrationswiderstands durch organische und anorgani-

sche Deckschichten auf den Membranflächen bzw. die

Verblockung von Membranporen zurückzuführen, die

sich durch betriebliche Maßnahmen wie Überströmung

und ggf. Rückspülung der Membranflächen nicht vermei-

den lassen.

87


Im Allgemeinen werden zur Reinigung saure, alkalische

und oxidativ wirksame Reinigungsmittel in Zwischen-

oder Intensivreinigungen eingesetzt, mit denen sich die

ursprüngliche Filtrationsleistung wieder herstellen lässt.

Für die Reinigung der Membranmodule sind in jedem

Fall die Vorgaben des Membran- bzw. Modulherstellers zu

berücksichtigen, da sich die Reinigungsprozeduren modul-

spezifisch erheblich unterscheiden können.

Als Zwischenreinigungen werden die Reinigungen

bezeichnet, die in situ im Belebtschlamm durchgeführt

werden. Sie finden regelmäßig ein- bis zweimal pro

Woche bei schwachen Reinigungsmittelkonzentrationen

(z. B. 150 bis 500 ppm aktiver Chlorgehalt) statt und wer-

den z.B. bei ZeeWeedTM-und Puron-Modulen angewendet.

Während einer verlängerten Rückspülphase wird dabei

das entsprechende Reinigungsmittel dem Permeat zuge-

setzt und permeatseitig in die Module gepumpt, die in

das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch getaucht sind.

Intensivreinigungen mit höheren Chemikalienkonzen-

trationen (z. B. 500 – 2.000 mg/l aktiver Chlorgehalt) müs-

Der Einsatz von Natriumhypochlorit als Reinigungs-

mittel liefert derzeit die besten Reinigungserfolge. Damit

verbunden sind bei hohen Reinigungsmittelkonzentratio-

nen ggf. negative betriebliche Auswirkungen, wie z. B.

eine Schädigung der Biozönose und ein Überschäumen

der Belebungsstufe, so dass Überdosierungen auf jeden

Fall zu vermeiden sind. Auch kann sich vor allem bei

in-situ-Reinigungen eine nachteilige Wirkung auf die

Ablaufqualität durch z. B. erhöhte AOX-Konzentrationen

im Permeat ergeben. Diesem kann jedoch durch eine Per-

meatrückführung in die biologische Stufe vorgebeugt

werden. Durch Untersuchungen zur Vorbehandlung von

Spülwässern nach der intensiven externen Reinigung

werden Vorbehandlungsmaßnahmen entwickelt, die die

AOX-Konzentration in den Spülwässern vermindern und

eine Schaumbildung in der Kläranlage verhindern soll

[DRENSLA, SCHAULE 2004]. Derzeit werden unkritischere

Reinigungsmittel, wie z. B. Wasserstoffperoxid oder Zitro-

nensäure, in verschiedenen Membranbelebungsanlagen

getestet.

sen je nach Verschmutzungsgrad alle drei bis sechs Monate

durchgeführt werden. Analog zur Zwischenreinigung wer-

den die Module im eingebauten Zustand (in situ) oder im

ausgebauten Zustand in separaten Reinigungsbehältern

(ex situ) gereinigt. Die Reinigung erfolgt im eingebauten

Zustand im Belebtschlamm, in Reinigungslösung oder an

der Luft (on air). Bei der letzten Möglichkeit werden die

Filtrationsbecken entleert, so dass die Module frei hängen.

Die externe Reinigung (ex situ) wird bei Temperaturen

der Reinigungslösung von 30 °C bis 35 °C durchgeführt.

Während der Reinigung können die Membranen belüftet

werden, um eine gleichmäßigere Verteilung der Chemika-

lien zu erreichen. Mit einer ex-situ-Reinigung wird bisher

das beste Reinigungsergebnis erzielt, wobei der betriebli-

che Aufwand zur Durchführung höher ist [DRENSLA,

SCHAULE 2004]. Tabelle 2-3 zeigt die Zusammenstellung

der Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme.

Intensivreinigungen können die eingesetzten organi-

schen Membranwerkstoffe aufgrund der hohen Chemika-

lienkonzentrationen schädigen und wirken sich somit

negativ auf die Standzeit einer Membran aus.

88

im belebten Schlamm Zugabe der Chemikalie von der Permeatseite

in Reinigungslösung Entleerung der Becken und Füllung mit Reinigung in separater Waschzelle, Zugabe der

Reinigungslösung, Zugabe der Reinigungslösung Chemikalien bei 30 °C bis 35 °C von der Feedseite

von der Feedseite

an Luft (on air) Absenkung des Wasserspiegels und Zugabe

der Chemikalien von der Permeatseite

Tab. 2-3

Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme

Membranmodule eingebaut (in situ) Membranmodule ausgebaut (ex situ)


Energiebedarf

In bestehenden Membranbelebungsanlagen wurden spezifi-

sche Verbräuche in einem Bereich von 0,8 bis 2,0 kWh/m3

Permeat ermittelt. Davon entfällt der größte Anteil von

ca. 50 bis 80 % auf die Modulbelüftung, die jedoch auch

einen Großteil des für die biologische Reinigung notwen-

digen Sauerstoffeintrages bewirkt. Als Haupteinflussfakto-

ren auf den spezifischen Energiebedarf wurden der Anla-

gendurchsatz, der TS-Gehalt (Sauerstoffeintragskoeffizient)

sowie die Abwassertemperaturen ermittelt. Der spezifische

Energiebedarf von Membranbelebungsanlagen ist derzeit

zwar noch höher als der konventioneller Abwasserreini-

gungsanlagen, wobei aber auch die Ablaufqualität bezüg-

lich hygienerelevanter Parameter besser ist. Für die Klär-

anlagen Markranstädt und Monheim liegt der spezifische

Energiebedarf bezogen auf den mittleren Zufluss im Be-

reich von 0,8 kWh/m3 bis 0,9 kWh/m3 [DWA 2005]. Die

Schwankungsbreiten für verschiedene Anteile des spezifi-

schen Energiebedarfs (z. B: Crossflow-Belüftung, Permeat/

Rezirkulation, zusätzlicher Belüftungsbedarf) sind im

DWA-Arbeitsbericht [DWA 2005] angegeben (siehe

Anhang 6).

In Abbildung 2-26 sind beispielhaft die spezifischen

Energieverbräuche für die Kläranlage Markranstädt in

Abhängigkeit vom Anlagendurchsatz dargestellt. Dabei

wurden die Energieverbräuche der Membranstufe (Saug-

pumpen und Modulbelüfter), der Rezirkulationspumpen,

der Rührwerke, der feinblasigen Belüfter und des Einlauf-

bauwerks berücksichtigt.

Während die Energieverbräuche für die Aggregate Rezirku-

lationspumpen, Rührwerke und Einlaufpumpwerk nahezu

unabhängig vom Anlagendurchsatz sind, ergeben sich für

den Betrieb der Membranstufe und der feinblasigen Belüf-

tung deutliche Abhängigkeiten. Es zeigt sich, dass bei

höheren zu behandelnden Abwasservolumenströmen der

spezifische Energieverbrauch für die Membranstufe um

22 % geringer ausfällt als bei geringeren Durchsätzen.

Diese Tendenz ist auch bei dem spezifischen Energiebe-

darf für die feinblasige Belüftung festzustellen. Hier kann

sogar eine Verminderung des Energiebedarfs um 48 %

erzielt werden. Die Energieeinsparungen werden erreicht

durch eine Erhöhung der feinblasigen Belüftungsleistung

89

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

spez

ifis

cher

En

erg

ieb

edar

f [k

Wh

/m3 ]

Membranstufe(Saugpumpen undModulbelüftung)

Rezirkulationspumpen

Rührwerke

feinblasige Belüfter

Einlaufpumpwerk

1.000-1.500

Anlagendurchsatz [m3/d]

2.000-2.500 > 3.000

0,12

0,21

0,05

0,16

0,88

0,090,01

0,14

0,85

0,1

0,11

0,69

0,01 0,010,01

Abb. 2-26

Energiebedarf einer Membranbelebungsanlage (8.000 E) mit simultaner aerober Schlammstabilisierung

[STEIN ET AL. 2001]


und Abschaltung der grobblasigen Belüftung in Filtra-

tionspausenzeiten bzw. durch die Rücknahme der feinbla-

sigen Belüftungsleistung bei laufender grobblasiger Belüf-

tung während des Filtrationsbetriebs [STEIN ET AL. 2001].

Durch Optimierungen beim Betrieb der Anlagen sowie

der Modulgestaltung bzw. Modulüberströmung sind wei-

tere Reduzierungen des Energieverbrauchs zu erwarten.

Erste Weiterentwicklungen, wie z. B. die Einführung einer

intermittierenden Belüftung, die doppelstöckige Anord-

nung von Modulen über der Lufteinblasung oder der

Betrieb rotierender Membranen, ermöglichen schon jetzt

eine Reduzierung der überströmungsspezifischen Energie-

kosten um bis zu 50 %. Die Kommunalen Wasserwerke

Leipzig gehen davon aus, dass eine Senkung des Energie-

verbrauchs bis in den Bereich konventioneller Anlagen

möglich sein wird [STEIN ET AL. 2001].

Personalbedarf und -qualifikation

Neben einer Einarbeitung und Sensibilisierung des Perso-

nals für zusätzliche Problemstellungen, die sich aus dem

Betrieb einer Membranbelebungsanlage ergeben (z. B.

hinsichtlich Membranbetrieb, -reinigung, Notfallbetrieb

bei Ausfall der MSR-Technik), bestehen keine weiteren

Anforderungen an die Qualifikation des Personals.

Erfahrungen auf der Kläranlage Rödingen (3.000 E)

haben gezeigt, dass der Personalaufwand nach Inbe-

triebnahme, Fehlerbehebungen und Einarbeitung für den

Betrieb der Anlage derzeit bei 0,5 Manntagen pro Tag

liegt. Dieser Wert liegt im Bereich der vom Erftverband

betriebenen konventionellen Anlagen vergleichbarer

Größe [DRENSLA 2001].

In Markranstädt wurde der erforderliche Arbeitszeitauf-

wand für den Betrieb der Kläranlage (8.000 E) vor allem

in der Anfangsphase als unbefriedigend hoch bezeichnet,

was insbesondere auf Störungen in der Peripherie der

Membrananlage zurückgeführt wurde. Mit Verbesserung

der Betriebsstabilität liegt dieser derzeit im Bereich übli-

cher Belebungsanlagen bzw. mit zusätzlich max. einer

Arbeitsstunde pro Tag darüber [STEIN 2002a].

2.1.4

Investitionen und Betriebskosten

2.1.4.1

Investitionen

Die Investitionen für den Bau einer Membranbelebungsan-

lage setzen sich aus den Kosten für die Komponenten der

mechanischen Vorbehandlung, der biologischen Abwasser-

reinigung und der Biomasseabtrennung sowie ggf. der

Überschussschlammbehandlung zusammen. Anhand der

bisherigen Erfahrungen lassen sich für die Investitionen

gegenüber der konventionellen Klärtechnik die in Tabelle

2-4 zusammengefassten Einsparpotenziale bzw. Mehrkos-

ten festhalten.

Ausgehend von den üblichen Kostenanteilen für die

konventionelle Klärtechnik [BOHN 1993; GÜNTHERT,

REICHERTER 2001] können die verfahrenstechnischen

Einsparungen (geringere Beckenvolumina, Wegfall der

Nachklärung und ggf. weitergehender Behandlungsschrit-

te) beim Membranbelebungsverfahren anteilig auf die

Investitionen für zusätzliche Aufwendungen sowie die

Membrantrennstufe umgelegt werden. Rautenbach et al.

[2000] bezifferten das Einsparpotenzial für den nicht

der Membranstufe zuzurechnenden Teil einer Membran-

belebungsanlage für eine Anschlussgröße von 100.000 E

mit 20 bis 30 % (Vergleich mit einer konventionellen

Belebungsanlage mit Nachklärung und Sandfiltration).

Unter der Annahme damals üblicher spezifischer Kosten

von 200 Euro/m2 installierter Membranfläche (einschließ-

lich Peripherie, wie Leitungen, Saugpumpen und MSR-

Technik) ergaben sich für beide Varianten annähernd

gleiche Investitionen.

Das Ausschreibungsverfahren zum Neubau der KA Nord-

kanal (80.000 E) aus dem Jahr 2001 fiel hinsichtlich der

Investitionen bereits zu Gunsten der Membrantechnik aus.

Hier lagen die eingereichten Angebote mit Membrantech-

nik (20,3 bis 22,1 Mio. Euro) um 1,7 bis 3,4 Mio. Euro

unter denen für ein vergleichbares konventionelles Aus-

baukonzept ohne weitergehende Behandlungsmaßnah-

men (23,7 Mio. Euro) [ENGELHARDT 2002]. Auf Basis der

bislang errichteten Membranbelebungsanlagen bzw. der

bisherigen Ausschreibungsergebnisse können die anzuset-

zenden Investitionen folgendermaßen abgeschätzt werden:

90


Die einwohnerspezifischen Kosten sind zwischen 250

und 1.400 Euro anzusetzen. Diese große Spanne ist vor

allem auf die unterschiedlichen Entwässerungssysteme

zurückzuführen. Bei Mischwassersystemen muss die ge-

samte Anlage auf die Mischwasserzuflussmengen (übli-

cherweise 2 · QT) ausgelegt werden, wohingegen die

Membranstufen bei Anlagen im Trennsystem unter idea-

len Bedingungen nur die Hälfte der bei Mischwassersyste-

men zu installierenden Membranflächen benötigen.

Weiterhin nehmen die flächenspezifischen Kosten der

Membranmodule degressiv zur Anlagengröße ab und sind

somit in direkter Abhängigkeit von den Gesamtinvestitio-

nen zu sehen.

Der Investitionsanteil der Membranstufe (inkl.

Peripherie, Maschinentechnik und Verrohrung) an den

Gesamtkosten liegt im Bereich von 30 bis 60 %. Auch

dieser weite Bereich ist vor allem vom angeschlossenen

Entwässerungssystem abhängig. Weitere Einflussfaktoren

sind die zu Grunde liegenden Membran- bzw. Modulko-

sten, die sich in den letzten Jahren rückläufig entwickel-

ten. Weiterhin ist im Zuge der technischen Weiterent-

wicklung mit einer Leistungssteigerung der eingesetzten

Module zu rechnen, so dass sich die zu installierenden

Membranflächen und damit auch die spezifischen Kosten

für die Membranstufe zukünftig rückläufig entwickeln

werden.

Zurzeit können spezifische Modulkosten für die Erstinves-

tition (inkl. Peripherie) von 75 – 150 Euro pro m2 Mem-

branfläche angesetzt werden. Die Größen variieren dabei je

nach Membrananbieter und eingesetzter Fläche. Ausgehend

von den Entwicklungen der letzten Jahre ist von einer

deutlichen Zunahme der Anbieter von einsetzbaren Modul-

systemen auszugehen. Auch werden der steigende Absatz

sowie verstärkter Konkurrenzdruck sich positiv auf die

Modulpreise auswirken. Abbildung 2-27 zeigt die Preis-

entwicklung der Membranersatzkosten des vergange-

nen Jahrzehnts sowie eine Prognose für das Jahr 2005 nach

Churchhouse, Wildgoose [2000]. Zusätzlich aufgetragen

sind modulspezifische Kosten verschiedener deutscher Klär-

anlagen. Gemäß diesem Kostenverlauf sind künftig weitere

signifikante Kostenreduzierungen zu erwarten. So wurde

z.B. für die Kläranlage Monheim mit Membranersatzkosten

von 58 bzw. 50 Euro/m2 nach einer Membranstandzeit von

7,5 bzw. 8 Jahren gerechnet [RESCH 2002; STEIN 2002b].

91

Mechanische Vorreinigung

Biologische Behandlung

Biomasseabtrennung/

weitergehende Behandlung

Schlammbehandlung

Belebungsbeckenvolumina 3- bis 4-fach kleiner,

da Betrieb bei erhöhtem TS-Gehalt von 12 – 16 g/l

Nachklärbecken entfällt

Keine nachgeschalteten Stufen zur weitergehenden

Aufbereitung des biologisch gereinigten Abwassers

bei erhöhten Anforderungen (Sandfiltration,

Hygienisierung/Desinfektion) erforderlich

Üblicherweise keine anaerobe Schlammstabili-

sierung (Faulstufe), da Biomasse aerob stabilisiert

wird

Feinere mechanische Vorbehandlung zum Schutz

der Membranmodule notwendig

• Hohlfasermebranen ≤ 1 mm

• Plattenmembranen ≤ 3 mm

Kosten für die Membranstufe höher als für kon-

ventionelle Nachklärbecken, zum einen durch die

Kosten der Membranmodule selbst und zum

anderen durch zusätzliche periphere Ausstattun-

gen (MSR-Technik, Verrohrung, Saugpumpen,

Reinigungseinrichtungen etc.)

Erhöhte Energiekosten infolge aerober Schlamm-

stabilisierung und Wegfall der Faulgasnutzung

von Primär- und Sekundärschlamm (bei Anlagen

> 50.000 E)

Tab. 2-4

Einsparpotenziale und Mehrkostenbereiche bei den Investitionen von Membranbelebungsanlagen

gegenüber konventionellen Belebungsanlagen

Verfahrensstufe Einsparpotenzial Mehrkosten


2.1.4.2

Betriebs- und Instandhaltungskosten

Die betriebs- und instandhaltungsbedingten abwasser-

mengenbezogenen bzw. einwohnerspezifischen Jahres-

kosten setzen sich aus verschiedenen Kostenarten zusam-

men. Verglichen mit den Kosten konventioneller Abwas-

serreinigungsverfahren ergeben sich für das Membran-

belebungsverfahren im Wesentlichen die folgenden

Unterschiede:

1. Energiekosten:

Der Betrieb der Membranstufe bedingt einen gegenü-

ber konventionellen Anlagen höheren Energiebedarf.

Aus dem Betrieb der bestehenden Anlagen ≥ 3.000 EW

wurden Energieverbräuche von 0,8 bis 1,4 kWh/m3

Abwasser ermittelt. Für die KA Nordkanal wird mit

einem ca. 60 % höheren Energiebedarf (0,8 kWh/m3)

als für die konventionellen Lösungen (0,46 kWh/m3

mit anaerober Schlammstabilisierung und

0,51 kWh/m3 mit aerober Schlammstabilisierung)

gerechnet [ENGELHARDT 2002].

2. Membranreinigung:

Für den Erhalt der Filtrationsleistung sind die Membra-

nen regelmäßig zu reinigen, wodurch Kosten für Che-

mikalien (ca. 0,25 bis 1,00 Euro /(m3 · a)) und zu-

sätzlicher Personalaufwand zu berücksichtigen sind.

3. Instandhaltung:

Die für konventionelle Anlagen üblichen Kosten erhö-

hen sich für Membranbelebungsanlagen um die Auf-

wendungen für die Instandhaltung der Membranstufe.

Die hierfür anzusetzenden Kosten ergeben sich aus

der tatsächlichen bzw. vom Hersteller garantierten

Membranstandzeit (bislang angenommen: 5 bis 8 Jah-

re, fallweise 10 Jahre [WOZNIAK 2002]) sowie den

Membranersatzkosten. Die Instandhaltungskosten

92

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

Mem

bra

ner

satz

kost

en [

o/m

2 ]

1990Jahr

1995 2000 2005

KA Monheim9.700 E

KA Rödingen1

3.000 E

GKW Nordkanal1

80.000 E

KA Markkleeberg2

30.000 E

KA Markkranstädt1

8.000 E

1 Spezifische Nettokosten für installierte Membranfläche (ohne Peripherie, Erstinstallation), zurückgerechnet auf Basis der Ausschreibungsergebnisse;laut Herstellerangaben ist bei einem Membranersatz von geringen Kosten auszugehen.

2 Betreibereinschätzung [STEIN 2002b]

nach Churchhouse (2000) Erhebung ISA RWTH (2003)

Abb. 2-27

Entwicklung der Membranersatzkosten [ISA 2002; CHURCHHOUSE, WILDGOOSE 2000]


verringern sich entsprechend bei höheren Standzeiten

und weiter fallenden Modulkosten.

4. Abwasserabgabe:

Aufgrund der hohen Reinigungsleistung ist bei der

membrantechnischen Lösung von einer Minderung

der Schadstofffracht beim Einleiten ins Gewässer aus-

zugehen.

Die für den Bau der Membranstufe entstandenen Auf-

wendungen können somit beim Vorliegen der ent-

sprechenden Voraussetzungen gemäß § 10 Abs. 3

Abwasserabgabengesetz mit der bisher geschuldeten

Abgabe verrechnet werden.

Da die vermehrten Energie- sowie Instandhaltungskosten

zurzeit die geringeren Gutschriften im Bereich der Abwas-

serabgabe übertreffen, ist insgesamt mit höheren Betriebs-

kosten für Membranbelebungsanlagen zu rechnen. Für

die KA Nordkanal wurde auf Basis der Angebote ein Be-

triebskostenvergleich durchgeführt [ENGELHARDT 2002].

Hiernach lagen die abgeschätzten abwassermengenspezi-

fischen Betriebskosten für die Membranbelebungsanlage

(0,24 bis 0,25 Euro/m3) um ca. 15 % höher als für die

angebotenen konventionellen Lösungen (0,20 bis

0,22 Euro/m3). Im DWA-Arbeitsbericht „Membranbele-

bungsverfahren“ (siehe Anhang A 6, [DWA 2005]) sind

Spannbreiten für die energie- und abwassermengenbezo-

genen Jahreskosten für die Belüftung, die Rezirkulation,

die erforderlichen Chemikalien etc. angegeben.

Zu berücksichtigen ist dabei, dass bei der durchgeführten

Kostenermittlung Anlagen mit unterschiedlicher Ablauf-

qualität verglichen werden. Um eine gleiche Ablaufqua-

lität bei konventionellen Belebungsanlagen wie bei Mem-

branbelebungsanlagen zu erreichen, muss der konventio-

nellen Anlage eine weitere Reinigungsstufe, z. B. eine

Desinfektionsstufe nachgeschaltet werden. Unter dieser

Voraussetzung ist von gleichen oder geringeren Betriebs-

kosten für Membranbelebungsanlagen auszugehen.

Weiterhin lassen technische Weiterentwicklungen der

eingesetzten Membranmodule zukünftig Reduzierungen

der Energiekosten sowie eine Leistungsverbesserung

erwarten, was wiederum zu geringeren einwohnerspezi-

fischen Behandlungskosten führt.

2.2

Praxisbeispiele zu großtechnischen Membran-

belebungsanlagen

In den folgenden Kapiteln werden Membranbelebungs-

anlagen zur Reinigung von kommunalem Abwasser be-

schrieben, die bereits realisiert wurden bzw. in der Pla-

nung sind. Die Praxisbeispiele sind nach Standort (in

oder außerhalb von Deutschland) und dem eingesetzten

Membranverfahren, Mikrofiltration oder Ultrafiltration,

geordnet. Es werden großtechnische Anlagen, Pilotanla-

gen, Kleinkläranlagen, Schiffskläranlagen und mobile

Anlagen beschrieben.

In Deutschland werden zurzeit neun großtechnische

Membranbelebungsanlagen mit Anschlussgrößen von

700 E bis 80.000 E betrieben, fünf weitere Anlagen gehen

bis Ende 2005 in Betrieb. Zehn Anlagen werden dann in

Nordrhein-Westfalen stehen. Alle Anlagen in NRW wur-

den mit Landesmitteln gefördert. Weitere Fördermittel

werden seitens des Landes für neue Anwendungen und

für weitergehende wissenschaftliche Untersuchungen,

deren Ziel vor allem die Optimierung der Betriebsführung

im Hinblick auf die Reinigungsleistung und die Betriebs-

kosten ist, zur Verfügung gestellt.

Tabelle 2-5 gibt eine Übersicht über die wichtigsten Daten

der bestehenden Anlagen in Deutschland, auf die in den

folgenden Kapiteln näher eingegangen wird.

93


94

Tab. 2-5

Anlagendaten der bestehenden großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommunalen Abwasser-

reinigung in Deutschland (Stand: Dezember 2004)

Betreiber

Bundesland

Anlage

Anschlussgröße

Membranhersteller

Modultyp

Verfahren

Membranfläche

Bioreaktorvolumen

max. Zufluss

Kanalsystem

Inbetriebnahme

Vorbehandlung

Besonderheiten

Erftverband

NRW

KA Nordkanal

80.000 E

ZENON

Kapillarmodul

Ultrafiltration

84.480 m2

9.200 m3

1.88 m3/h

Mischsystem

Dezember 2003

Rechen (5 mm)

Sand- und Fettfang

Siebtrommel (0,5 mm)

Aggerverband

NRW

KA Seelscheid

10.500 E

Kubota

Plattenmodul

Mikrofiltration

12.480 m2

2.310 m3

356 m3/h

Mischsystem

August 2004

Filterstufenrechen (3mm)

Sandfang

Ausbau am Standort

der Kläranlage

Stadt Monheim

Bayern

KA Monheim

9.700 E

ZENON

Kapillarmodul

Ultrafiltration

12.320 m2

1.640 m3

288 m3/h

Mischsystem

Juli 2003

1 mm Feinsieb

Langsandfang

Kommunale

Wasserwerke Leipzig

Sachsen

KA Markranstädt

z. Zt. 8.000 bis 12.000 E

ZENON

Kapillarmodul

Ultrafiltration

7.360 m2

ca. 1.800 m3

180 m3/h

Mischsystem

Januar 2000

Rechen zweistufig

(bis 1 mm)

Sand- und Fettfang

Erftverband

NRW

KA Rödingen

3.000 E

ZENON

Kapillarmodul

Ultrafiltration

4.846 m2

480 m3

135 m3/h

Mischsystem

Juni 1999

Rechen (3 mm)

Sand- und Fettfang

Rezirkulationsschlamm-

siebung (0,5 mm)

im Teilstrom

Betreiber

Bundesland

Anlage

Anschlussgröße

Membranhersteller

Modultyp

Verfahren

Membranfläche

Bioreaktorvolumen

max. Zufluss

Kanalsystem

Inbetriebnahme

Vorbehandlung

Besonderheiten

Stadtwerke Schramberg

Baden-Württemberg

KA Schramberg

2.600 E

ZENON

Kapillarmodul

Ultrafiltration

4.400 m2

730 m3

90 m3/h

Mischsystem

Mai 2004

Rechen (5 mm)

Feinrechen (0,5 mm)

Sand- und Fettfang

Aggerverband

NRW

KA Büchel

1.000 E

Kubota

Plattenmodul

Mikrofiltration

960 m2

190 m3

40 m3/h

Mischsystem

August 1999

Betrieb bis 2001

Rechen (3 mm) Sandfang,

Vorklärung optional

Pilotanlage

Kommunale

Wasserwerke Leipzig

Sachsen

KA Knautnaundorf

z. Zt. 900 E bis 1.800 E

Martin Systems AG

Plattenmodul

Ultrafiltration

756 m3

68 m3

23 m3/h

Trennsystem

Oktober 2001

Rechen zweistufig

(3 mm, 1 mm)

Sand- und Fettfang

Wasserverband Eifel-Rur

NRW

KA Simmerath

700 E

PURON

Kapillarmodul

Ultrafiltration

1.000 m2

136 m3

wird untersucht

Mischsystem

2003

3 mm Feinrechen

Pilotanlage


Die bisher gesammelten positiven Erfahrungen mit der

Membrantechnik bzw. dem Membranbelebungsverfahren

veranlassen Wasserverbände und Kommunen, das Mem-

branbelebungsverfahren für die Planung neuer Anlagen

oder den Ausbau bzw. die Ertüchtigung bestehender An-

lagen als Alternative zu konventionellen Abwasserreini-

gungsverfahren zu berücksichtigen. Vor allem die Betrei-

ber, die bereits Erfahrungen mit der Membrantechnik

gesammelt haben, (Wasserverband Eifel-Rur (WVER),

Erftverband), planen bzw. bauen bereits weitere Mem-

branbelebungsanlagen (Tabelle 2-6).

Darüber hinaus wird an zahlreichen weiteren Standorten

in Deutschland die Anwendung des Membranbelebungs-

verfahrens geprüft. Beispiele sind die Kläranlagen an den

Standorten Xanten-Vynen (Linksniederrheinische Ent-

wässerungs-Genossenschaft-LINEG) und Richtheim (Ge-

meinde Richtheim in Zusammenarbeit mit dem Bayeri-

schen Landesamt für Wasserwirtschaft), die ebenfalls in

den folgenden Kapiteln beschrieben werden.

95

Tab. 2-6

Im Bau befindliche bzw. geplante Membranbelebungsanlagen in Deutschland (Stand: Dezember 2005)

Betreiber

Anlage/Ort

Ausbaugröße

Inbetriebnahme

Status

Membranhersteller

Modultyp

Verfahren

Membranfläche

Bioreaktorvolumen

max. Zufluss

Vorbehandlung

Besonderheiten

Wasserverband

Eifel-Rur

KA Rurberg/NRW

6.200 E

2005

Inbetriebnahme

Kubota

Plattenmodul

Mikrofiltration

ca. 13.440 m2

geplant ca. 750 m3

349 m3/h

Feinrechen (3 mm)

Sandfang

Feinstrechen (0,5 mm)

Einleitung in die

Rurtalsperre

Wasserverband

Eifel-Rur

KA Konzen/NRW

9.700 E

2005

Inbetriebnahme

Kubota

Plattenmodul

Mikrofiltration

23.040 m2

geplant ca. 1.700 m3

587 m3/h

Feinrechen (3 mm)

Sandfang

Feinstrechen (0,5 mm)

Stadt Eitorf

KA Eitorf/NRW

11.625 E

(nur Membrananlage)

2005

Inbetriebnahme

Kubota

Plattenmodul

Mikrofiltration

10.240 m2

1.200 m3

288 m3/h

Feinsiebanlage

Sand-/Fettfang

Gewerblicher

Abwasseranteil

Linksniederrheinische

Entwässerungs-

Genossenschaft

KA Xanten-Vynen/NRW

2.000 E

(nur Membrananlage)

2005

Inbetriebnahme

A 3 GmbH

Plattenmodul

Mikrofiltration

2.000 m2

40 m3/h

Siebanlage

(3 mm Lochweite)

Ausbau der Kläranlage

am Standort

Erftverband

KA Glessen/NRW

9.000 E

2005

Planungsphase

offen

offen

offen

geplant 12.320 m2

geplant ca. 1.700 m3

268 m3/h

Rechen (6 mm)

Sand-/Fettfang

Feinsiebanlage (0,5 mm)

Ausbau der Kläranlage

am Standort


zentral in eine anaerobe Zone (V = 500 m3) zur vermehr-

ten biologischen Phosphorelimination. Die äußere Zone

des Belebungsbeckens (V = 1.160 m3) wird zur Denitrifi-

kation genutzt, wobei ein Teil des Beckens (500 m3) zeit-

und lastabhängig belüftet und zur Nitrifikation genutzt

werden kann.

Die dreistraßige Membrananlage wurde auf der Fläche

des ehemaligen Zwischenklärbeckens gebaut und im Juli

2004 in Betrieb genommen. Die drei Membranbecken mit

einem Volumen von insgesamt rund 800 m3 dienen zur

Nitrifikation. In ihnen sind jeweils 13 Plattenmembran-

pakete (Typ EK 400) der Firma Kubota installiert, so dass

insgesamt eine Membranfläche von 12.480 m2 zur Verfü-

gung steht. Die Regelung der Rezirkulationsvolumenströme

erfolgt wie die Belüftung über einen Fuzzy-Logic-Regler.

Die Aufbringung der notwendigen transmembranen

Druckdifferenz erfolgt z. Zt. im Gravity Flow und kann

durch Permeatpumpen unterstützt werden. Das Filtrat

wird in einen Vorlagebehälter (V = 100 m3) geleitet und

von dort über die vorhandenen Rohrleitungen in den

Wenigerbach bzw. wird ein Teil des gereinigten Abwassers

auf der Kläranlage als Brauchwasser eingesetzt. Das Kon-

zentrat wird zurück in die Denitrifkationszone oder wahl-

weise in die anaerobe Zone geführt. Die Mindestanforde-

rungen, die Werte der Einleiterlaubnis und die Betriebs-

werte nach etwa vier Monaten Betrieb sind in Tabelle 2-7

aufgeführt. Den jetzigen Ausbauzustand der Kläranlage

Seelscheid zeigt das Verfahrensschema (Abbildung 2-28).

Die Investition für den Ausbau der Kläranlage Seelscheid

beträgt etwa 4,6 Mio. Euro, dieser wird mit Mitteln des

MUNLV gefördert.

96

Tab. 2-7

Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Seelscheid

[nach AGGERVERBAND 2004]

Parameter

CSB

BSB5

NH4-N

Nges

Pges

AOX

Einheit

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

µg/l

Mindestanforderungen

90

20

10

18

2

keine Angaben

Einleiterlaubnis

40

10

3

18

0,8

50

Betriebswerte

< 20

n. n.

< 0,1

< 5

–

–

Anlagen in Deutschland mit Mikrofiltrations-

membranen

Kläranlage Seelscheid und Schulungseinrichtung

Die Kläranlage Seelscheid wurde in den Jahren 1974 bis

1976 für 3.000 E ausgelegt. In einer 2. Ausbaustufe erfolgte

in den Jahren 1991/1992 eine Erweiterung auf einen An-

schlusswert von 7.500 E. Der damalige Entwurf sah bereits

eine Endausbaugröße für 10.500 E vor, so dass einige Ge-

werke, insbesondere die Rohrleitungen, bereits auf diese

Endausbaugröße bemessen wurden. Ein Ausbau der Klär-

anlage nach dem Belebungsverfahren war aufgrund der be-

engten Platzverhältnisse nur sehr kostenaufwendig mög-

lich. Mit dem Membranbelebungsverfahren bot sich zum

Zeitpunkt der Planung im Jahr 2003 eine leistungsfähi-

gere Alternative mit geringerem Platzbedarf an.

Für die Erweiterung wurden in dem vorhandenen Rech-

enhaus im Hinblick auf einen störungsfreien Betrieb der

Kläranlage – insbesondere der Membrananlage – zwei

Feinrechen (3 mm Stababstand) installiert. Jeder der bei-

den Feinrechen kann den maximalen Abwasservolumen-

strom von 99 l/s behandeln, so dass ein redundantes Sys-

tem vorliegt. Der sich anschließende belüftete Sand- und

Fettfang mit einem Volumen von V = 104 m3 bestand be-

reits. Die berechnete Aufenthaltszeit im Sandfang beträgt

bei Regenwetter über 17 Minuten und bei Trockenwetter

über 35 Minuten. Nach dem Sandfang gelangt das Ab-

wasser in das Belebungsbecken, welches als Rundbecken

mit verschiedenen Zonen ausgeführt ist. Der Zulauf erfolgt

MF2.2.1

MF2.2.1.1


97

Zulauf

Vorfluter

alternativ

Rezirkulation (RZ)

Feinrechen3 mm

Feinrechen3 mm

Denitri-fikations-becken

Nitri-fikations-becken

anaerobesBecken

RS

PermeatVorlage

Gebläse-station

Brauchwasser

Sandfang

Membranstufe/Nitrifikation

Abb. 2-28

Verfahrensschema der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004]

Abb. 2-29

Membrananlage auf der Kläranlage Seelscheid [Fotos: AGGERVERBAND 2004],

links: Becken der Membranstufe, rechts: Maschinenkeller der Membrananlage


Schulungseinrichtung auf der Kläranlage Seelscheid

Der Aggerverband wird in Zusammenarbeit mit dem

Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirt-

schaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-

Westfalen (MUNLV), dem Bildungszentrum für die Ent-

sorgungs- und Wasserwirtschaft (BEW), der Deutschen

Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall

(DWA), der Deutschen Gesellschaft für Membrantechnik

(DGMT) und der Rheinisch-Westfälischen Technischen

Hochschule Aachen (RWTH Aachen) am Standort der

Kläranlage Seelscheid eine moderne Schulungseinrich-

tung für Membrantechnik erstellen. Neben Schulungsräu-

men und acht Laborarbeitsplätzen werden vier Membran-

belebungsanlagen mit vorgeschalteter Denitrifikation

und unterschiedlichen Modulsystemen in den Becken der

alten Sandfiltration zur Durchführung praktischer Schu-

lungseinheiten errichtet (siehe Abbildung 2-30 und

Abbildung 2-31). Die Schulungen sind u. a. für Ver- und

Entsorger, Klärmeister und angehende Ingenieure aus den

Hochschulen vorgesehen. Die Fertigstellung der Schu-

lungseinrichtung ist für das Jahr 2005 geplant. Die Ein-

richtung wird mit Mitteln des Landes Nordrhein-Westfa-

len gefördert.

98

Rohabwasser

Zulaufwahlweise

Feinrechen3 mm

Feinrechen0,75 mm

zur Kläranlage

Rohabwasser

Denitri-fikation

Nitrifikation/Membranstufe

Gebläse-station

Gebläse-station

Gebläse-station

Gebläse-station

Rezirkulation (RZ)

Rezirkulation (RZ)

Rezirkulation (RZ)

Rezirkulation (RZ)

Abb. 2-31

Verfahrensschema der Schulungsanlagen [nach AGGERVERBAND 2004]

Abb. 2-30

Bestehende Sandfilterbecken für die geplanten

Schulungsanlagen [Foto: AGGERVERBAND 2004]


Pilotanlage Büchel

Im Rahmen des vom MUNLV NRW geförderten For-

schungsvorhabens „Ertüchtigung der Kläranlage Büchel

unter Einsatz der Membrantechnologie“ betrieb der Agger-

verband von 1999 bis 2001 eine Pilotanlage nach dem

Membranbelebungsverfahren. Das F&E-Vorhaben wurde

im Auftrag des Aggerverbands mit dem Institut für Sied-

lungswasserwirtschaft der RWTH Aachen und der Inge-

nieurgesellschaft ATEMIS durchgeführt.

Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens war die anste-

hende Erweiterung der Kläranlage Büchel von 12.000 E

auf eine Ausbaugröße von 25.000 E. Da für den Ausbau

neben den beengten Platzverhältnissen aufgrund der Lage

in einem Naturschutzgebiet die strengen Anforderungen

der Bezirksregierung Köln an den Ablauf der Kläranlage zu

berücksichtigen sind, wurde seitens des Aggerverbandes

für die Erweiterung der Kläranlage nach einer Alternative

zur konventionellen Klärtechnik gesucht. Hierbei stellte

sich nach eingehenden Kostenvergleichen das Membran-

99

Nitrifikations- und Membrancontainer V= 80 m3

Membranstraße 1 Membranstraße 2

GebläseMembran-reaktor

GebläseNitrifikation

RS

Permeat

Nitri-/DenitrifikationsbeckenV=100 m3

Zulauf

Abb. 2-33

Verfahrensschema der Pilotanlage Büchel [BAUMGARTEN 2001b]

Abb. 2-32

Ansicht der Pilotanlage Büchel [Foto: ISA RWTH

AACHEN], Vordergrund: Filtrationscontainer, Hinter-

grund links: Belebungsbecken der Pilotanlage, Hin-

tergrund rechts: Vorklärbecken der Gesamtanlage

MF2.2.1.2


belebungsverfahren als die interessanteste Alternative

heraus. Um dies mit Erfahrungswerten belegen zu kön-

nen, entschied sich der Aggerverband für den Betrieb

einer Pilotanlage im Vorfeld der Erweiterungsplanung.

Die Pilotanlage befand sich auf dem Gelände der Kläran-

lage Büchel und wurde mit einem Teilstrom des mecha-

nisch vorbehandelten Abwassers aus der bestehenden

Anlage beschickt. Die mechanische Vorbehandlung

der Kläranlage besteht aus einem 3 mm-Filterstuferechen,

einem belüfteten Sand- und Fettfang sowie einem Vor-

klärbecken. Die Beschickung der Pilotanlage konnte

optional über die Entnahme des Abwasserteilstromes vor

oder nach dem Vorklärbecken erfolgen.

Das Abwasser gelangte über ein Hebepumpwerk in den

Denitrifikationsbereich der Pilotanlage. Die Nitrifikation

fand nur im Bereich der nachgeschalteten Membranstufe

statt (Abbildung 2-33), da im Normalfall der für die Über-

strömung der Membranmodule eingepresste Luftvolu-

menstrom zur vollständigen Nitrifikation ausreicht. Falls

dies nicht gewährleistet wurde, konnten einzelne Berei-

che im vorgelagerten Denitrifikationsbecken belüftet und

damit zur Nitrifikation genutzt werden.

Die Membranstufe bestand aus zwei Filtrationsstraßen,

die unabhängig voneinander betrieben werden konnten,

mit je vier Plattenpaketen mit 150 Plattenmodulen der

Firma Kubota. Das gereinigte Wasser wurde im Saugbe-

trieb über die Filtrationsmodule abgezogen.

Es konnte ein nahezu störungsfreier Anlagenbetrieb erzielt

werden. Innerhalb einer sechsmonatigen Betriebsphase

beider Filtrationsstraßen bei Nettoflüssen von 27 l/(m2 · h)

stieg der aufzuwendende Transmembrandruck foulingbe-

dingt von ca. 80 mbar auf ca. 150 mbar an, so dass zur

Gewährleistung des Anlagendurchsatzes eine chemische

in-situ-Reinigung durchgeführt wurde. Hierdurch konnte

die ursprüngliche Membranleistung nahezu vollständig

wieder erreicht werden [WOZNIAK, BAUMGARTEN 2001;

BAUMGARTEN 2001b].

Nach Abschluss der Pilotierung wurde am Standort der

Kläranlage Büchel aus Kostengründen eine Erweiterung

nach dem konventionellen Belebungsverfahren bevor-

zugt. Aufgrund der Erfahrungen mit der Membrantechnik

sah der Aggerverband jedoch einem weiteren Einsatz der

Membrantechnik zur kommunalen Abwasserbehandlung

an anderen Standorten positiv entgegen. So flossen die

gesammelten Erfahrungen inzwischen z. B. in den Aus-

bau der großtechnischen Kläranlage Seelscheid des Agger-

verbands (siehe Kapitel 2.2.1.1) ein. Auch für zukünftige

Anlagenneubauten oder -erweiterungen wird die Technik

mit in die Variantenbetrachtungen einbezogen.

100


Kläranlage Richtheim

In Bayern liegen viele dezentrale Kläranlagen in Gebie-

ten, in denen erhöhte Anforderungen an den Gewässer-

schutz gestellt werden (z.B. Karstgebiete) bzw. leiten in

empfindliche Vorfluter ein. Eine weitergehende Abwas-

serbehandlung, z. B. über Sandfiltration und UV-Desin-

fektion, Ozonierung oder Membrantechnik kann hier

sinnvoll bzw. erforderlich sein.

Im Rahmen eines vom Landesamt für Wasserwirtschaft

(LfW) in Bayern geförderten Forschungsvorhabens wer-

den an drei Standorten unterschiedliche Verfahren zur

Reinigung von kommunalem Abwasser für dezentrale

Kläranlagen untersucht. Im Fokus der Untersuchungen

stehen die erreichbare Abwasserqualität, die Betriebssi-

cherheit und der betriebliche Aufwand der Verfahren.

Die Untersuchungen zum Membranbelebungsverfahren

werden auf der Kläranlage Richtheim durchgeführt, die

über eine Behandlungskapazität von 100 E verfügt.

Die Anlage besteht aus einem Zulaufschacht, der als Vor-

klärbecken zur Abscheidung von Grob- und Schwimm-

stoffen dient. Daran schließt sich die Membranbelebungs-

stufe an, die in einem Fertigteilschacht untergebracht ist

und aus Plattenmodulen der Firma Kubota (zwei Modul-

pakete zu je 80 m2 Membranfläche) besteht. Das vorge-

klärte Abwasser fließt im freien Gefälle in die Membran-

belebungsstufe. Der erforderliche Sauerstoffbedarf wird

vollständig durch die Belüftung der Membranmodule

gedeckt. Abbildung 2-34 zeigt das Verfahrensschema der

Anlage.

101

Zulauf

Vorfluter

Vorklärung

Gebläse-station

Membranbelebungsstufe

Konzentrat

Abb. 2-34

Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR

WASSERWIRTSCHAFT 2004]

MF2.2.1.3


Kläranlage Eitorf (Inbetriebnahme)

In der Kläranlage Eitorf wird das kommunale Abwasser

der Gemeinde Eitorf und aus Teilgebieten der Stadt Hen-

nef sowie das Abwasser gewerblicher und industrieller

Einleiter behandelt. Zur Erweiterung der bisherigen Anla-

genkapazität von derzeit ca. 33.000 EW auf einen für

2010 prognostizierten Anschlusswert von ca. 46.500 EW,

wurden in einer Studie verschiedene Ausbauvarianten mit

Membrantechnik entwickelt [NOLTING, KAZNER 2005].

Auf Basis eines Jahreskostenvergleichs wurde für die

Erweiterung eine Membranbelebungsanlage für einen

Teilstrom des zu behandelnden Abwassers favorisiert.

Ursprünglich war die Anlage vor allem zur Mitbehand-

lung eines hochbelasteten Abwasserstromes aus der Tex-

tilveredlung vorgesehen, der u. a. durch eine starke Fär-

bung und hohe AOX-Konzentrationen gekennzeichnet

war (siehe Tabelle 2-8). Zur Steigerung der Reinigungs-

leistung bzgl. dieser Parameter (Einleitwert für AOX:

50 µg/l) wurde im Vorfeld die simultane Zugabe pulve-

risierter Aktivkohle sowohl großtechnisch für die kon-

ventionelle Anlage [KAZNER 2003] als auch im Pilotmaß-

stab für einen Membranbioreaktor [BAUMGARTEN 2005]

erfolgreich erprobt.

102

Zulauf

Vorfluter

VorklärbeckenFeinrechen3 mm

Sandfang

Feinsieb1 mm

75%

25%

Belebungsbecken

Rücklaufschlamm (RS)

Nachklärbecken

Vario-becken


Rezirkulation (RZ)

vierstraßigeMembran-stufe mitNitrifikation

Abb. 2-35

Verfahrensschema der Kläranlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF]

Tab. 2-8

Eingangswerte für die Bemessung der Membranbelebungsanlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF

2004]

Parameter Qd Qh QM CSB BSB5 TKN NH4-N Pges AOX

Zulauf zur MBA 1.800 145 288 1.152 486 108 62 13 0,4

m3/d m3/h m3/h kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d

MF2.2.1.4


Aufgrund einer betriebsbedingten Schließung der Färberei

wird dieser Abwasserstrom zukünftig wegfallen. Stattdessen

erfolgt die Einleitung eines hochbelasteten Abwasserstro-

mes aus der Lebensmittelindustrie.

Die Membranbelebungsanlage (Abbildung 2-36) ist vier-

straßig ausgeführt und soll 25 % des Volumenstroms

nach der Vorklärung behandeln (siehe Abbildung 2-35).

Die Anlage besteht aus einem Denitrifikationsbecken

(V = 300 m3), einem mit Belüftern ausgestatteten Vario-

Bereich (V = 300 m3) zur Denitrifikation oder Nitrifikation

und vier Nitrifikationsbecken (je 150 m3), in welchen ge-

tauchte Plattenmodule der Firma Kubota (Typ EK 400,

Doppeldeckermodule) installiert sind. Für die Filtration

steht damit insgesamt eine Membranfläche von 10.240 m2

zur Verfügung.

Die Kosten für den Bau der Membranbelebungsanlage,

die im September 2005 in Betrieb genommen wurde,

betrugen 3,9 Mio. Euro und wurde vom MUNLV NRW

zu einem Teil gefördert.

103

Abb. 2-36

Kläranlage Eitorf mit abgedeckten Membranbecken zwischen den Gebäuden im Vordergrund


Kläranlage Xanten-Vynen (Inbetriebnahme)

Die Kläranlage Xanten-Vynen wurde 1972 nach damaligen

Bemessungsgrundsätzen für 6.000 E und auf den dreifachen

Trockenwetterzufluss ausgelegt. Die biologische Stufe ist

heute für 3.300 E genehmigt, wobei zurzeit ca. 3.160 E an

die Kläranlage angeschlossen sind. Die Kläranlage ist damit

zu über 95 % ausgelastet und im Hinblick auf die zu er-

wartende Einwohnerentwicklung auf 4.989 E zu erweitern.

Die Entwässerung der angeschlossenen Ortsteile Vynen

und Marienbaum erfolgt überwiegend im Mischsystem

mit Ausnahme eines Neubaugebiets, welches im Trenn-

system entwässert. Das der Kläranlage zufließende Ab-

wasser ist ausschließlich kommunalen Ursprungs.

Im Rahmen eines für drei Jahre angelegten Forschungs-

vorhabens wird auf der Kläranlage Xanten-Vynen eine

zweistraßige Membranbelebungsanlage mit dem Platten-

modulsystem der Firma A3 ausgerüstet und parallel zur

bestehenden Belebungsanlage betrieben (siehe Abbildung

2-38). Die Gesamtkapazität der zweistraßigen Membran-

belebungsanlage soll rund 2.000 E betragen.

104

Zulauf

Vorfluter

Rechen Sandfang

Siebanlage3 mm

Belebungsbecken


Nachklärbecken

Denitri-fikation

Rezirkulation (RZ)

Schönungsteich

Gebläse-station

MembranstufeNitrifikation

Denitri-fikation


Rezirkulation (RZ)

Abb. 2-38

Verfahrensschema der Kläranlage Xanten-Vynen einschl. der Membranbelebungsanlagen [nach LINEG 2004]

Abb. 2-37

Membrananlage in Containerbauweise für die

Kläranlage Xanten-Vynen [Foto: A3 GMBH]

MF2.2.1.5


Kläranlage Piene (in Planung)

Für den Ortsteil Piene, Gummersbach wird zurzeit eine

Kläranlage nach dem Membranbelebungsverfahren für

eine Behandlungskapazität von 170 E geplant.

Bisher erfolgt die Abwasserreinigung für den Ortsteil Piene

in Dreikammerklärgruben. Die gereinigten Abwässer werden

in einen leistungsschwachen Vorfluter eingeleitet und die

Einleiterlaubnis fordert eine Ablaufkonzentration für CSB

< 70 mg/l und für BSB5 < 10 mg/l, weshalb sich das Mem-

branbelebungsverfahren anbietet. Abbildung 2-39 zeigt

das Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage.

Zur Vorreinigung des Abwassers ist ein Trommelsiebre-

chen mit einer Spaltbreite von 3 mm vorgesehen. Der sich

anschließende 40 m3 fassende Pufferbehälter dient zur Ab-

pufferung von hydraulischen Stößen bei Mischwasserzu-

fluss und zur Speicherung des Überschussschlammes. Aus

dem Speicherbehälter wird das Abwasser in die Belebungs-

stufe geführt, welche auch ein Volumen von 40 m3 hat

und die getauchten Membranmodule integriert. Als Mem-

branmodule sind Plattenmodule der Firma Kubota mit

einer Membranfläche von 320 m2 vorgesehen.

105

In dem dreijährigen Versuchsbetrieb sollen Aussagen zur

Reinigungsleistung der beiden Verfahren getroffen und

folgende wesentliche Ziele erreicht werden:

• Nachweis der Betriebssicherheit und der Leistungsfä-

higkeit der Anlage

• Wirtschaftlichkeit des eingesetzten Modulsystems

• Ermittlung eines optimierten Betriebs- und Reinigungs-

managements

Die beiden Membrananlagen sind baugleich hergestellt

und in je einem Container untergebracht (Abbildung 2-37).

Als mechanische Vorreinigung ist eine Siebanlage mit einer

Lochweite von 3 mm geplant, die außerhalb der Con-

tainer aufgestellt wird. Das Belebungsvolumen beträgt je-

weils 100 m3. Jede Membrananlage ist für einen Abwasser-

volumenstrom von 12,5 m3/h bei Trockenwetter und von

40 m3/h bei Regenwetter ausgelegt und weist eine Mem-

branfläche (Porengröße ~ 0,2 µm) von 2.000 m2 auf. Die

Membrananlage wird noch im Jahr 2005 in Betrieb ge-

nommen.

Zulauf

Vorfluter

Puffer-behälter

Belebungsstufe Membranstufe

Trommelsieb-rechen 3 mm

Abb. 2-39

Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage [nach STADT GUMMERSBACH 2004]

MF2.2.1.6


Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen

(Inbetriebnahme)

Die beiden Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen

des Wasserverbandes Eifel-Rur (WVER) werden für eine

Behandlungskapazität von 6.200 E bzw. 9.700 E ausge-

baut. Beide Ausbaumaßnahmen sind zurzeit in der Reali-

sierung. Die Inbetriebnahme der Anlagen ist für Ende

2005 geplant.

Die Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage

Rurberg-Woffelsbach und der Kläranlage Konzen sind in

der Tabelle 2-9 aufgeführt. Die Begründungen für den

Einsatz einer Membranbelebungsanlage an beiden Stand-

orten liegt darin, dass die Kläranlage Rurberg-Woffelsbach

in die zu Erholungszwecken genutzte Rurtalsperre und

die Kläranlage Konzen in den Laufenbach, der im Ein-

zugsgebiet der Trinkwassergewinnung liegt, einleitet.

Die Kläranlage Rurberg-Woffelsbach ist zukünftig für

einen Trockenwetterzufluss von 175 m3/h und einen

Regenwetterzufluss von 349 m3/h ausgelegt. In der Klär-

anlage Konzen können zukünftig 245 m3/h bei Trocken-

wetter und 587 m3/h bei Regenwetter behandelt werden.

Das geplante Verfahrenskonzept sieht für beide Kläranla-

gen eine mechanische Vorbehandlung über einen Feinre-

chen mit einer Spaltweite von 3 mm vor. Daran schlie-

ßen sich ein Fett- und Sandfang sowie ein Feinstrechen

mit einer Spaltweite von 0,5 mm an. Der Feinstrechen

wird redundant ausgeführt. Die biologische Abwasserbe-

handlung erfolgt in Rurberg-Woffelsbach in einem vorge-

schalteten Denitrifikationsbecken und einem Membran-

belebungsbecken, in dem auch die Nitrifikation stattfindet.

In Konzen wird dem Becken mit den getauchten Mem-

branmodulen ein Belebungsbecken vorgeschaltet, indem

sowohl denitrifiziert, als auch nitrifiziert wird. Darüber

hinaus steht Nitrifikationsvolumen in dem Becken mit

den Membranmodulen zur Verfügung. In beiden Anlagen

kommen Plattenmembranmodule der Firma Kubota zum

Einsatz. In der Kläranlage Rurberg-Woffelsbach werden

13.440 m2 Membranfläche, für die Kläranlage Konzen

23.040 m2 Membranfläche installiert. Für diese Membran-

flächen sind 42 bzw. 72 Membranmodule des Typs EK

400 vorgesehen. Eine besondere Anforderung an die Fil-

trationsleistung der Membranen stellt die im Winter in

dieser Region sehr niedrige Abwassertemperatur von

unter 6 °C dar.

Die gemäß des Submissionsergebnis ermittelte Investition

für die Ausbaumaßnahme der Kläranlage Rurberg-Wof-

felsbach beträgt rund 5,5 Mio. Euro (Kläranlage ohne

geplante Seeleitung, Pumpwerk Rurberg und Ingenieur-

leistung) und für die Kläranlage Konzen 7,5 Mio Euro

(Kläranlage ohne Mischwasserbehandlungsanlage und

Ingenieurleistung). Der Ausbau beider Kläranlagen nach

dem Membranbelebungsverfahren ist unter Berücksichti-

gung einer 50 %-igen Förderung der membranspezifi-

schen Kosten durch das Land NRW kostengünstiger als

ein konventioneller Ausbau.

106

Tab. 2-9

Einleitanforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen

[nach WVER 2004]

Parameter Einheit Einleitanforderungen Einleitanforderungen

Rurberg-Woffelsbach Konzen

CSB mg/l 80 50

BSB5 mg/l 20 15

NH4-N mg/l 10 3

Pges mg/l 0,5 0,2

MF2.2.1.7


Kläranlage Kohlfurth, Prozesswasserbehandlung

Die Kläranlage Kohlfurth hat eine Ausbaugröße von

156.000 E und behandelt vorwiegend kommunal gepräg-

tes Abwasser nach dem konventionellen Belebungsver-

fahren mit anschließender anaerober Schlammbehand-

lung (Abbildung 2-40). Die Anlage wurde für einen Über-

wachungswert von 18 mg/l Nanorg ausgelegt, muss aber

zukünftig 13 mg Nanorg/l einhalten. Diese Anforderung

kann derzeit bei voller Auslastung der Kläranlage in der

qualifizierten Stichprobe nicht sicher eingehalten wer-

den. Dies gab im Herbst 2003 den Anlass, eine neue

Behandlung für Prozesswässer aus der Schlammentwässe-

rung zu planen.

Auf der Kläranlage Kohlfurth fallen täglich 300 m3 Pro-

zesswasser mit einer NH4-N-Konzentration von 700 bis

1.000 mg/l aus der Schlammentwässerung an. Das neue

Konzept zur Prozesswasserbehandlung sieht das Membran-

belebungsverfahren vor, wobei insbesondere das Potenzial

einer autotrophen Deammonifikation im Membranbio-

reaktor untersucht werden soll.

Das Prozesswasser wird gemäß dem neuen Konzept in

einem Speicher gepuffert und anschließend einem ersten

Belebungsreaktor (V = 200 m3) zur Nitritation zugeführt. In

einem zweiten Belebungsreaktor (V = 180 m3) soll die auto-

trophe Deammonifikation erfolgen. Für die Reaktoren wer-

den zwei derzeit nicht mehr betriebene Eindicker genutzt.

Die zweistraßige Membrananlage für Mikrofiltration ist

in einem separaten Reaktor installiert und den Reaktoren

der Belebungsstufe nachgeschaltet. Jede der zwei Straßen

enthält zwei Modulpakete (Firma Kubota, Typ EK 400) mit

einer Gesamtmembranfläche von 720 m2. Das Permeat der

Membrananlage wird in das Rücklaufschlammpumpwerk

und damit in die Belebungsstufe der Kläranlage Kohlfurt

zurückgeführt.

Die Anlage ist seit Januar 2005 in Betrieb. Nach einer

Probebetriebsphase sollen sowohl die Betriebsweise der

autotrophen Deammonfikation als auch die der her-

kömmlichen Denitrifikation untersucht werden.

107

Vorklärbecken Belebungsstufe


Nachklärbecken

autotropheDeammoni-fikation

Nitritation

Zulauf

Rechen Sandfang Denitri-fikation

C-Quelle

Vorfluter

Sand-filtration

Grobschlamm

Vorein-dicker

Faulturm Faulturm

Nach-eindicker

Kammer-filterpresse

Trübwasser

Filtrat

Filtrat

Membranstufe

Speicher

Schlamm-wasser

Rezirkulation (RZ)

Abb. 2-40

Verfahrensschema der Kläranlage Kohlfurth [nach WUPPERVERBAND 2004]

MF2.2.1.8


Kläranlage Dormagen, Prozesswasserbehandlung

(Inbetriebnahme)

Die Kläranlage Dormagen hat eine Ausbaugröße von

80.000 E und behandelt vorwiegend kommunal geprägtes

Abwasser nach dem konventionellen Belebungsverfahren

mit anschließender anaerober Schlammbehandlung (siehe

Abbildung 2-41).

Die bei der Schlammbehandlung anfallenden Prozesswäs-

ser setzen sich aus den Trübwässern des Faulturms und

des Nacheindickers sowie dem Zentratwasser aus den

Zentrifugen zusammen und werden in einem Puffer-

becken zwischengespeichert. Die NH4-N-Konzentration

dieser Prozesswässer beträgt ca. 800 mg/l und führt zu

einer Rückbelastung der Kläranlage, die etwa 15.000 E

entspricht. Diese Belastung ließ die Kläranlage zeitweise

an ihre Kapazitätsgrenze stoßen, was im Herbst 2003 den

Anlass zur Planung einer neuen Prozesswasserbehand-

lungsanlage gab.

Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaft wurde das

Membranbelebungsverfahren zur Behandlung der Pro-

zesswässer in der Planung ermittelt. Die zweistraßige

Membrananlage für Mikrofiltration wird 8 Modulpakete

der Firma Kubota, (Typ EK 150) mit einer gesamten

Membranfläche von 960 m2 enthalten.

Der vorhandene Sandfang wird zu einer intermittierend

betriebenen Nitrifikations- und Denitrifikationsstufe

umgebaut, in die das Prozesswasser vom Speicherbecken

geleitet wird. Die sich anschließende Membrananlage

wird auf dem vorhandenen Sandfang in Containerbau-

weise aufgestellt. Das Permeat der Membrananlage wird

in den Zulauf des Belebungsbeckens geleitet.

Die Anlage befindet sich zurzeit im Bau und wird im Jahr

2005 in Betrieb genommen.

108

Vorfluter

Vorklärbecken Bio-P


Nachklärbecken

Nitri-fikation

Zulauf

Rechen Sandfang

Vorein-dicker

Faulturm Faulturm

Nach-eindicker

Zentrifuge

Trübwasser

Zentrat-wasser

Filtrat

Membranstufe

Speicher

Prozess-wasser

Rezirkulation (RZ)

Denitri-fikation

Nitri-fikation

Rezirkulation (RZ)

Denitri-fikation

Abfluss

ggf.Trübwasser

Abb. 2-41

Verfahrensschema der Kläranlage Dormagen [nach STADT DORMAGEN 2004]

MF2.2.1.9


Anlagen außerhalb Deutschlands mit

Mikrofiltrationsmembranen

Die Membrantechnik wird in der kommunalen Abwasser-

reinigung seit den 90er Jahren eingesetzt. Die ersten tech-

nischen bzw. großtechnischen Anlagen wurden haupt-

sächlich in Nordamerika und Japan installiert. Dabei

handelt es sich bei ca. 90 % der Anlagen um kleine Anla-

gen mit einer Kapazität von weniger als 100 m3/d. Eine

größere Anlage steht in Powell River, Kanada, mit einer

Ausbaukapazität von ca. 5.700 m3/d. Die Anlagen aus

dem nordamerikanischen und asiatischen Raum werden

fast ausschließlich zur Behandlung von Abwasserströmen

aus Trennsystemen eingesetzt, wobei die Reinigungsan-

forderungen der einzelnen Staaten differieren. Daher sind

die dort gesammelten Erfahrungen nur bedingt auf die

europäischen Rahmenbedingungen übertragbar.

Seit 1998 ist der Einsatz von Membranen im Bereich der

kommunalen Abwasserreinigung jedoch auch weltweit

stark angestiegen. Über viele kleinere Anwendungen hin-

aus ist die erste großtechnische kommunale Kläranlage

Europas 1998 mit einer Kapazität von 1.900 m3/d in Por-

lock, England, in Betrieb genommen worden. Im Jahr 2000

kam die Kläranlage Swanage (Abbildung 2-42) an der

englischen Südküste mit einer Kapazität von 13.000 m3/d

und 23.000 angeschlossenen Einwohnern hinzu, die bis

Ende 2001 die bisher größte Membranbelebungsanlage

im kommunalen Bereich war. Die Anlage, die mit dem

Kubota-System ausgestattet wurde, ist unmittelbar am

Strand inmitten der vorhandenen Bebauung gelegen und

aufgrund der kompletten Einhausung als solche kaum

auszumachen.

Sowohl im Hinblick auf technische als auch wirtschaft-

liche Belange ist das Membranbelebungsverfahren in

Großbritannien inzwischen derart etabliert, dass bei

jedem Anlagenneubau oder einer Anlagenerweiterung die

Anwendung des Verfahrens geprüft wird. In weiteren

europäischen Ländern, wie z. B. in Italien am Gardasee

oder in Belgien, befinden sich die ersten Membranbele-

bungsanlagen in der Planungs- oder Bauphase.

109

Abb. 2-42

Luftbild der Kläranlage Swanage [Foto: AQUATOR GROUP]

MK2.2.2


Kläranlage Glasgow, Schottland

In der zentralen Schlammbehandlungsanlage Glasgow

werden unterschiedliche Schlämme sowohl industriellen

als auch kommunalen Ursprungs behandelt. Insgesamt

werden zwischen 7.800 m3/d und 12.800 m3/d Schlamm

mit einem durchschnittlichen TS-Gehalt von 2 bis 2,5 %

behandelt. Der Schlamm setzt sich neben den lokal anfal-

lenden Schlämmen aus Schlämmen der Standorte Shield-

hall, Dulmuir, Paisley, Dalmarknock, Glasgow Catchment

und Daldowie zusammen.

Nach Durchlauf eines 5-mm-Rechens und einer Zwischen-

speicherung in einem 30.000 m3 fassenden Behälter wird

der Schlamm in zwölf parallel betriebenen Zentrifugen

entwässert. Der auf rund 30 % TS eingedickte Schlamm

wird in sechs Trocknern auf 90 – 92 % TS entwässert.

Stündlich fallen zwischen 200 m3 und 450 m3 Schlamm-

wasser an, das zu 80 % in den Zentrifugen und zu 20 % in

den Trocknern entsteht. Dieses Schlammwasser weist CSB-

Konzentrationen von 3.000 – 4.000 mg/l und NH4-N-Kon-

zentrationen von 200 – 300 mg/l auf, was einer Belas-

tung von rund 180.000 E bezogen auf NH4-N entspricht.

Das Schlammwasser wird über einen dreistraßigen Fein-

rechen (Stababstand 3 mm) behandelt. Die biologische

Behandlung erfolgt über ein vorgeschaltetes Denitrifika-

tionsbecken (V = 2.300 m3) und vier parallel betriebene

Nitrifikationsbecken (Vgesamt = 9.400 m3), in welche die

Membranmodule getaucht sind.

Die vierstraßige Membrananlage besteht aus insgesamt

128 Plattenmembranmodulen vom Typ EK 400 der Firma

Kubota mit einer Membranfläche von 20.480 m2. Es wer-

den Ablaufkonzentrationen von 40-60 mg/l CSB und

0,1 – 0,4 mg/l NH4-N erreicht. Der Ablaufwert für NO3-N

beträgt im Mittel 30 mg/l.

Die in Abbildung 2-44 dargestellte Schlammbehandlungs-

anlage wird seit dem Jahr 2002 betrieben.

110

Schlamm-wasser

Vorfluter

Rezirkulation (RZ)

Feinrechen3 mm

Feinrechen3 mm

Nitrifikation, Membranstufe

Feinrechen3 mm

Gebläse-station

Denitrifikation

Abb. 2-43

Verfahrensschema der Schlammbehandlungsanlage Glasgow [nach AGGERWASSER GMBH 2004]

MK2.2.2.1


111

Abb. 2-44

Draufsicht auf die Schlammbehandlungsanlage (STP) Glasgow und auf ein Becken der Membranstufe

[Foto: AGGERWASSER GMBH 2001]

Stellfläche Membranen

Belüftereinrichtung


Kläranlage Ebisu Prime Square Building, Japan

Das Ebisu Prime Square Building ist ein Hochhaus in

Tokyo, in dem auf 70.000 m2 vor allem Büroräume, Ver-

kaufsflächen und Restaurationsbetriebe untergebracht

sind (Abbildung 2-45). Beim Bau des Hochhauses wurde

im Keller eine Membranbelebungsanlage installiert. Das

Abwasser wird so behandelt, dass das Permeat als Brauch-

wasser in einer Wäscherei und für die Toilettenspülung

genutzt werden kann.

Abbildung 2-47 zeigt das Verfahrensschema der Abwasser-

behandlungsanlage. Das der Anlage zulaufende Abwasser

(Rohwasser) und das aufbereitete Permeat haben die in

Tabelle 2-10 aufgeführte Zusammensetzung. Die im April

1997 in Betrieb genommene Anlage ist für einen Permeat-

volumenstrom von 189 m3/d ausgelegt. Die Ausrüstung,

Wartung und der Betrieb der Anlage werden durch die

Firma Kubota durchgeführt. Bisher sind jährlich ca. 1-2

chemische Reinigungen der Plattenmodule durchgeführt

worden. Der TS-Gehalt wird im Bereich zwischen 15 g/l

und 20 g/l gehalten. Der transmembrane Druck im

Betrieb liegt zwischen 0,05 bar und 0,1 bar.

112

Tab. 2-10

Rohwasser- und Permeatqualität [nach AGGERWASSER GMBH 2004]

Parameter Einheit Rohwasser Permeat

CSB [mg/l] 60 < 3

BSB5 [mg/l] 40 < 2

Pges [mg/l] – n. n.

Nges [mg/l] – < 1

abf. Stoffe [mg/l] 140 – 180 n. n.

Abwasser

Gebläse

Membranstufe

Feinrechen

Permeat fürWäscherei undToilettenspülung

KonzentratEntsorgung

Abb. 2-47

Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage [nach AGGERWASSER GMBH 2004]

Abb. 2-45 (links): Ebisu Prime Square Building

Abb. 2-46 (rechts): Abwasserreinigungsanlage im

Keller des Ebisu Prime Square Building

[Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004]

MK2.2.2.2


Kläranlage St. Peter ob Judenburg, Österreich

Mit der kommunalen Kläranlage der Gemeinde St. Peter

ob Judenburg (1.500 E) wurden in Österreich die ersten

Erfahrungen mit der Membrantechnik zur Reinigung

kommunaler Abwässer gesammelt. Ursprünglich wurde

die Kläranlage unter Kostengesichtspunkten als Teichklär-

anlage geplant, behördlich bewilligt und realisiert. Trotz

der relativ groß dimensionierten Klärteiche erreichte die

Anlage nicht die nach der österreichischen Emissionsver-

ordnung (EmV) 210/1996 „Begrenzung von Abwasser-

emissionen aus Abwasserreinigungsanlagen für Siedlungs-

gebiete" geforderte Reinigungsleistung.

Im Rahmen eines in den Jahren 2001 und 2002 durchge-

führten Forschungsvorhabens wurde gezeigt und anschlie-

ßend umgesetzt, dass die bestehende Klärteichanlage –

ohne wesentliche bauliche Änderungen – durch den Ein-

satz von neuen Belüftungs- und Mischungskonzepten in

Verbindung mit einer getauchten Membranfiltration im

Nitrifikationsbecken die gesetzlichen Reinigungsziele

sicher einhalten kann (Tabelle 2-11).

Der Teich wurde durch den Einbau einer Holztrenn-

wand in einen Belebungsbereich und in einen Nachklär-

bereich geteilt. Die beiden Bereiche sind durch zwei

Überläufe in der Trennwand verbunden. Im Nachklärbe-

reich setzt sich der Belebtschlamm ab und wird über den

Schlammtrichter am Boden abgezogen. Über Dükerlei-

tungen wird der Belebtschlamm in einen Pumpenschacht

geleitet und von dort über eine Tauchpumpe zurück in

den Belebungsbereich geführt bzw. aus dem System ent-

nommen.

Dem umgebauten Teich ist ein Nitrifikationsbecken in

Stahlbetonbauweise zur Gewährleistung einer vollständi-

gen Nitrifikation angeschlossen. Aus dem bestehenden

Nitrifikationsbecken wurden die Aufwuchskörper ent-

fernt und getauchte Membranmodule der Firma Mitsu-

bishi eingesetzt. Insgesamt sind neun Kassetten mit einer

gesamten Membranfläche von 945 m2 installiert. Die

Kläranlage St. Peter ob Judenburg wird seit Ende des For-

schungsvorhabens im Jahre 2002 erfolgreich nach dem

vorgestellten Verfahrenskonzept betrieben (Abbildung 2-48).

Abbildung 2-49 zeigt die Membranmodule und den Klär-

teich.

113

Zulauf

Gebläse-station

Membranstufe

Feinrechen3 mm

Sandfang

VorfluterBB

Rezirkulation (RZ)

NK

Klärteich 1

Abb. 2-48

Verfahrensschema der Kläranlage St. Peter ob Judenburg [nach ENVICARE 2002]

Tab. 2-11

Zulauf- und Ablaufkonzentrationen der Kläranlage

Parameter Einheit Zulauf Ablauf Teich Permeat

CSB [mg/l] 300 – 700 100 – 300 < 30

NH4-N [mg/l] 25 – 45 25 – 35 < 1,0

MK2.2.2.3


Anlagen in Deutschland mit Ultrafiltrations-

membranen

Kläranlage Nordkanal

Beim notwendigen Ausbau der seit 1970 bestehenden

Kläranlage Nordkanal musste der ursprüngliche Standort

aus Rücksicht auf die räumliche Entwicklung der Stadt

Kaarst aufgegeben und ein Neubau an anderer Stelle rea-

lisiert werden. Der Erftverband entschied sich für das

Membranbelebungsverfahren, da die Erfahrungen mit

diesem Verfahren auf der Kläranlage Rödingen sehr posi-

tiv waren. In enger Abstimmung mit dem Ministerium

für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbrau-

cherschutz (MUNLV) NRW wurde das Abwasserbehand-

lungskonzept erarbeitet. Die Anlage stellte aufgrund ihrer

Größe planerisches Neuland dar und hat Demonstrations-

charakter für ganz Europa.

Die Kläranlage ist für den Anschluss von 80.000 E und

einen Mischwasserzufluss von 1.881 m3/h ausgelegt und

wurde 2003 in Betrieb genommen. Die Anforderungen

an die Ablaufqualität der Kläranlage sind in Tabelle 2-12

zusammengestellt.

114

Abb. 2-49

Kläranlage St. Peter ob Judenburg [Fotos: ENVICARE], links: Membranmodule, rechts: Teichanlage

Tab. 2-12

Mindestanforderungen und Einleiterlaubnis der Kläranlage Nordkanal [ERFTVERBAND 2004]

Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis

CSB mg/l 90 90

BSB5 mg/l 20 20

NH4-N mg/l 10 10

Nges mg/l 18 18

Pges mg/l 2 2

UF2.2.3

UF2.2.3.1


115

Das Abwasser wird am Standort der alten Kläranlage über

einen Grobrechen vorgereinigt und zur ca. 2,5 km ent-

fernten neuen Kläranlage Nordkanal gepumpt. Dort wird

das Abwasser über zwei parallel betriebene Filterstufen-

rechen (Spaltabstand 5 mm) und zwei parallel betriebene

belüftete Sand- und Fettfänge mechanisch vorgereinigt.

Anschließend durchfließt das Abwasser zwei parallel betrie-

bene Siebtrommeln mit einer Lochweite von 0,5 mm

(Abbildung 2-50), um die Membranen in der Nitrifika-

tionsstufe zu schützen. Der Notumlauf der Siebtrommeln

ist durch ein Feinsieb mit einer Lochweite von 1 mm

abgesichert. So sollen auch bei Betriebsstörungen der

Siebtrommeln keine gröberen Stoffe in die Membranbele-

bungsbecken gelangen. Abbildung 2-51 zeigt das Verfah-

rensschema der Kläranlage Nordkanal.

Die Belebungsstufe ist vierstraßig ausgelegt. Jede Straße

besteht aus einem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken,

einem variablen Beckenbereich zur Denitrifikation bzw.

Nitrifikation sowie einem Nitrifikationsbecken mit

Ablauf

Rezirkulation (RZ)

Sieb-trommel0,5 mm

Notumlauf-sieb1 mm

Sieb-trommel0,5 mm

Gebläse-station

Denitri-fikation

Vario-zone

Denitri-fikation

Vario-zone

Denitri-fikation

Vario-zone

Denitri-fikation

Vario-zone

Zulauf

Sandfang

Sandfang

Grob-rechen

Filterstufen-rechen5 mm

Filterstufen-rechen5 mm

Nitrifikation,Membranstufe

Abb. 2-51

Verfahrensschema der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004]

Abb. 2-50

Siebtrommel der Feinrechenanlage auf der

Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004]


getauchten Membranmodulen, welches als Umlaufbecken

ausgeführt ist. Die Nitrifikationsbecken sind eingehaust.

Das Gesamtvolumen der Belebungsbecken beträgt 9.200 m3.

In den Belebungsbecken wird der Schlamm aerob stabili-

siert. Aufgrund strömungstechnischer Simulationsunter-

suchungen wurden in die Umlaufbecken Rührwerke und

Leitbleche integriert.

Die Membrananlage ist achtstraßig mit Kapillarmembra-

nen der Firma Zenon (ZW 500c) ausgeführt. Die gesamte

installierte Membranfläche beträgt ca. 85.000 m2, da die

Bezirksregierung Düsseldorf eine 25 %-ige Reserve für die

Membranfiltrationsstufe forderte. Für eine extern durch-

zuführende chemische Reinigung steht eine separate

Waschkammer zur Verfügung.

Die Investition für den Neubau der Kläranlage Nordkanal

betrug 21,5 Mio. Euro, wovon ca. 6,6 Mio. Euro durch

das Land Nordrhein-Westfalen getragen wurden.

Kläranlage Monheim

Die Kläranlage der Stadt Monheim liegt im wasserwirt-

schaftlich sensiblen Karstgebiet des Landkreises Donau-

Ries. Neben dem Abwasser der Stadt Monheim werden

die Abwässer der Gemeinden Rögling und Tagmersheim

in dieser Kläranlage gereinigt und anschließend in die

Gailach eingeleitet, die ca. 6 km unterhalb von Monheim

im Karstgrund versickert. In den Jahren 1998 und 1999

wurden erste Konzepte über die Möglichkeiten zur Ablei-

tung von Abwasser in den Karstgrund entwickelt.

Im Rahmen des Pilotvorhabens „Abwasserbehandlung Gai-

lachtal“ unterstützte der Freistaat Bayern die Finanzierung

zur Errichtung einer Membranbelebungsanlage am Stand-

ort der Kläranlage Monheim. Die Investitionen für die

Membranbelebungsanlage betrugen ca. 7,6 Mio. Euro, von

denen rund 5,8 Mio. Euro durch das Land Bayern gefördert

wurden. Abbildung 2-53 zeigt die Kläranlage Monheim.

Die Kläranlage Monheim ist für den Anschluss von 9.700 E

ausgelegt. Für die Planung wurden ein Spitzenzufluss von

288 m3/h und ein mittlerer täglicher Abwasserzufluss von

2.400 m3/d zugrunde gelegt.

Wie im Verfahrensschema der Kläranlage Monheim dar-

gestellt (Abbildung 2-54), ist die mechanische Stufe zwei-

straßig ausgeführt. Über jede Straße, die aus einem Fein-

sieb mit einer Lochweite von 1 mm und einem Sandfang

besteht, können 75 % des maximalen Zulaufs gereinigt

werden. Das mechanisch gereinigte Abwasser wird in die

Belebungsstufe mit einem Gesamtvolumen von 1.660 m3

geführt, die ebenfalls zweistraßig ausgeführt ist. Jede der

beiden Straßen besteht aus einem vorgeschalteten Deni-

trifikations- und einem Nitrifikationsbecken sowie zwei

Kammern mit den installierten Membranmodulen, die

zum Schutz des Betons chemisch beständig beschichtet

sind. Die Becken zur Denitrifikation und Nitrifikation

haben ein Volumen von je 340 m3, die vier Kammern

der Membranstufe je 75 m3. Die Schlammstabilisierung

erfolgt aerob.

Die Membranstufe ist unter Zugrundelegung einer spezi-

fischen Filtrationsleistung von 22 – 24 l/(m2 · h) bei

Mischwasserzufluss ausgelegt worden, die kurzfristig auf

31 l/(m2 · h) gesteigert werden kann, wenn eine Filtra-

tionskammer außer Betrieb genommen wird. Gemäß die-

116

Abb. 2-52

Membranbelebungsbecken auf der Kläranlage

Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004]

UF2.2.3.2


ser Auslegung enthält die Membranstufe 28 Modulkasset-

ten der Firma ZENON (Typ ZW 500c) mit einer Gesamt-

membranfläche von 12.320 m2. Die Filtration erfolgt bei

einem TS-Gehalt von 12 g/l. Da die Filtrationsstraßen in

vier separaten Kammern untergebracht sind, kann eine

chemische Reinigung der Module durch Abpumpen des

Belebtschlamms ohne das Ausbauen der Module erfolgen

(on air cleaning).

Der spezifische Energiebedarf der Kläranlage beträgt etwa

1 kWh/m3 Abwasser. Der Personalbedarf entspricht dem

einer konventionellen Kläranlage.

117

Zulauf

Vorfluter

Rezirkulation (RZ)

Sandfang

Membranstufe

Sandfang

Gebläse-station

Denitri-fikation

Nitri-fikation

Rezirkulation (RZ)

Ablauf

Rezirkulation (RZ)Rezirkulation (RZ)

Sieb 1 mm

Sieb 1 mm

Abb. 2-54

Verfahrensschema der Kläranlage Monheim [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004]

Abb. 2-53

Kläranlage Monheim [Foto: BAYERISCHES LANDES-

AMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004]


Mit dem Einsatz des Membranverfahrens auf der Kläran-

lage Monheim werden die Anforderungen an die Ablauf-

qualität der Kläranlage sicher eingehalten, wie der Tabelle

2-13 zu entnehmen ist.

Der Betrieb der Membranbelebungsanlage am Standort

Monheim wird zurzeit von einem Untersuchungspro-

gramm begleitet. Wesentliche Punkte im Rahmen des

Untersuchungsprogramms stellen die Erprobung und

Optimierung des Membranbelebungsverfahrens und die

Auswirkungen der Abwassereinleitung auf die Gailach

sowie das Grundwasser dar.

Kläranlage Markranstädt

Die Kläranlage Markranstädt im Südwesten von Leipzig

ist eine von über dreißig Kläranlagen der Kommunalen

Wasserwerke Leipzig. Die Anlage wurde auf eine Ausbau-

größe von 12.000 E ausgelegt, die derzeitige Auslastung

beträgt ca. 8.000 E.

Veranlassung für den Neubau dieser Anlage war die an-

stehende Außerbetriebnahme der veralteten Abwasser-

reinigungsanlage, die den Anforderungen nicht mehr

gerecht wurde. Ausschlaggebend für den Bau einer Mem-

branbelebungsanlage waren dabei vor allem die begrenzte

Grundstücksfläche sowie die erhöhten Anforderungen an

die Ablaufqualität (Tabelle 2-14) aufgrund eines schwachen

Vorfluters.

Die Anlage hat eine hydraulische Kapazität von 180 m3/h.

Vom Sammler der Mischkanalisation wird das Schmutz-

wasser über die Zulaufkammer (Abbildung 2-56, links)

mit Hilfe eines Hebepumpwerks der mechanischen Reini-

gungsstufe zugeführt.

118

Tab. 2-13

Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Monheim

[BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004]

Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis Betriebswerte

CSB mg/l 90 75 15

BSB5 mg/l 20 15 1,2

NH4-N mg/l 10 5 0,1

Nges mg/l – 18 10

Pges mg/l – 1 0,6

Abb. 2-55

Modulkassetten bei der on-air-Reinigung

[Foto: STADT MONHEIM 2004]

UF2.2.3.3


Diese ist zweistraßig ausgeführt und besteht aus einem

Stufenrechen (Spaltweite 3 mm) (Abbildung 2-57, links)

sowie einem Sand- und Fettfang zur weiteren Vorreini-

gung. Über einen Verteiler gelangt das Abwasser in die

ebenfalls zweistraßig aufgebaute Belebungsstufe. Sie

wird als vorgeschaltete Denitrifikation (VDN= 2 � 435 m3)

mit nachgeschalteter Nitrifikation (VN= 2 � 435 m3) betrie-

ben. Sämtliche Becken sind mit Rührwerken ausgestattet,

am Boden der Nitrifikationsbecken sind zusätzlich flächen-

deckend Aggregate zur feinblasigen Belüftung installiert.

An den inneren Längsseiten, im oberen Bereich der 7 m

tiefen Nitrifikationsbecken, befinden sich die Membran-

module (Fa. ZENON) zur Biomasseabtrennung. Die ge-

samte Filterfläche von 7.360 m2 ist auf vier Straßen ver-

teilt, jeweils zwei in den beiden Nitrifikationsbereichen.

119

Tab. 2-14

Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Markranstädt

[STEIN 2002a]

Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleitungserlaubnis Betriebswerte

CSB [mg/l] 90 50 35

BSB5 [mg/l] 20 10 5

NH4-N [mg/l] 10 5 1

Nges [mg/l] 18 18 15

Pges [mg/l] 2 2 1

AFS [mg/l] keine Angaben keine Vorgaben n. n.

Abb. 2-56

Verfahrensstufen auf der KA Makranstädt [Stein 2002a], links: Zulaufkammer zur Membranbelebungs-

anlage mit Überlaufkante zur Mischwasserbehandlung, rechts: Mischwasserbehandlungsbecken im Zulauf

der KA Markranstädt [STEIN 2002a]


Zwischen den beiden längs angeordneten Nitrifikations-

becken ist ein Reinigungsschacht angeordnet, in dem die

mittels eines fest installierten Krans herausziehbaren

Module extern gereinigt werden können.

Neben dem Bau der Abwasserreinigungsanlage wurde

gleichzeitig eine Mischwasserbehandlungsanlage auf dem

Gelände der Kläranlage errichtet. In zwei Becken, die als

Absetz- und Speicherbecken dienen, werden die Zufluss-

mengen, die die Kapazität der Membranstufe bei Misch-

wasserzufluss übersteigen, zwischengespeichert und gleich-

zeitig vorbehandelt. Diese Abwassermengen werden der

Reinigungsanlage in Zeiten mit geringerem Zufluss zuge-

führt. Durch die Mischwasserbehandlungsanlage konnte

die benötigte Membranfläche deutlich reduziert werden,

da sie nicht für die maximale Zuflussmenge, sondern nur

für 1,1 · QT ausgelegt werden musste.

Seit Inbetriebnahme der Anlage im September 2000 wur-

den zahlreiche Erkenntnisse zur Optimierung der Ver-

fahrenstechnik und der Anlagensteuerung gesammelt

[MEYER 2001]. Wesentlich dabei war die Verbesserung

der mechanischen Vorreinigung. So wurde der zunächst

installierte Rechen durch eine Kombination aus Grobre-

chen (Spaltweite 5 mm) und Feinsieb mit einer Lochsieb-

weite < 1 mm ersetzt.

120

Abb. 2-57

Verfahrensstufen der Kläranlage Makranstädt [STEIN 2002a], links: Stufenrechen,

rechts: Nitrifikations- und Filtrationsbecken der KA Markranstädt [STEIN 2002a]


Kläranlage Rödingen

Die Kläranlage befindet sich auf dem Gebiet der

Gemeinde Titz im Kreis Düren in unmittelbarer Nähe

zum Tagebau Hambach. Ihr Einzugsgebiet umfasst eine

überwiegend ländliche Gegend mit kleineren Ortschaften

ohne gewerbliche oder industrielle Abwassereinleiter.

Bergbaulich bedingte Grundwasserabsenkungen verhin-

dern einen Kontakt des Vorfluters mit dem Grundwasser,

so dass dieser in Trockenzeiten kaum Wasser führt. Ein

wesentlicher Teil des Vorfluters wird daher aus dem

Ablauf der Kläranlage Rödingen gespeist. Aufgrund dieser

Tatsache stellt die Bezirksregierung strenge Reinigungsan-

forderungen an das Einleiten der Abwässer in diesen Vor-

fluter (Überwachungswerte in Tabelle 2-15).

Ein Neubau der Kläranlage Rödingen, die bis dahin aus

einer Belebungsanlage mit einer intermittierenden Deni-

trifikation und einer Simultanfällung zur Phosphorelimi-

nation bestand, wurde hierdurch unumgänglich. Mit

konventioneller Technik hätten große Belebungsbecken

sowie eine nachgeschaltete Flockungsfiltration mit Inves-

titionen in Höhe von ca. 6,1 Mio. Euro errichtet werden

müssen.

Der Erftverband entschied sich als zuständiger Wasserver-

band für den Bau einer Membranbelebungsanlage, nach-

dem eine Pilotanlage im Jahr 1996 erfolgreich betrieben

und dabei erste Erkenntnisse über die Betriebsweise, die

erreichbaren Ablaufwerte und die Betriebssicherheit ge-

wonnen wurden. Die Gesamtkosten von 2,8 Mio. Euro für

die erste großtechnische Anlage in Deutschland, die Mitte

1999 in Betrieb genommen wurde, wurden finanziell mit

1 Mio. Euro vom Land Nordrhein-Westfalen mitgetragen.

Die für 3.000 Einwohner ausgelegte Anlage hat einen täg-

lichen Abwasserzufluss von 450 m3, im Mischwasserzufluss

müssen in der Anlage bis zu 135 m3/h behandelt werden.

Der Zulauf der Anlage wird durch einen Feinrechen mit

einem Stababstand von 3 mm und einem anschließen-

den belüfteten Sandfang mechanisch vorbehandelt

(Abbildung 2-58). Danach wird das Abwasser den beiden

Bioreaktoren zugeführt, die mit einer intermittierenden

Nitrifikation/Denitrifikation betrieben werden.

Im Anschluss an die biologische Stufe gelangt das Schlamm-

Wasser-Gemisch in die zweistraßige Filtrationsstufe, in

der das gereinigte Abwasser über getauchte Ultrafiltrations-

module abgezogen wird. Das im Filtrationsbereich ver-

bliebene aufkonzentrierte Schlamm-Wasser-Gemisch, das

einen bis zu 4 g/l höheren TS-Gehalt als im übrigen Bele-

bungsbeckenbereich hat, wird zurück in die Bioreaktoren

gepumpt.

Die zwei Filtrationsstraßen (Abbildung 2-59) bestehen

aus jeweils sechs Modulkassetten mit je acht Modulen der

Fa. ZENON und weisen eine Membranfläche von insge-

samt 4.846 m2 auf. Für den Mischwasserzufluss wurden

demnach ca. 28 l/(m2 · h) als Bemessungsflussleistung der

Membranflächen angesetzt. Hintergrund für den höheren

121

Tab. 2-15

Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Rödingen

[nach ENGELHARDT ET AL. 2001]

Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleitungserlaubnis Betriebswerte

CSB mg/l 110 35 < 25

BSB5 mg/l 25 8 < 3

NH4-N (bei 5 °C) mg/l – 2 < 0,5

Pges mg/l – 0,5 < 0,3 (Simultanfällung)

AOX µg/l – 50 < 50

UF2.2.3.4


Ansatz der Bemessungsflussleistung der Membranstufe

waren anstehende Maßnahmen im Kanalnetz zur Redu-

zierung des Fremdwasserzuflusses, die zukünftig geringere

Zulaufmengen verbunden mit Flussraten < 28 l/(m2 · h)

erwarten lassen.

Zur Aufrechterhaltung der notwendigen Filtrationsleistung

werden die Module zusätzlich zu den üblichen Rückspül-

intervallen (300 - 500 Sekunden Filtration, 30 Sekunden

Rückspülen) und wöchentlichen Zwischenspülungen mit

geringen Reinigungsmittelkonzentrationen zweimal jähr-

lich intensiv chemisch gereinigt. Dazu werden die Module

aus dem Filtrationsbecken gezogen und in einem separa-

ten, beheizbaren Behälter von innen und außen chemisch

gereinigt. Die für den Betrieb der Anlage erforderliche

Permeabilität – einschließlich ggf. notwendiger Leistungs-

reserven – der Membran kann dabei wieder hergestellt

werden.

122

Nitrifikations- undMembrancontainer V= 80 m3

Teilstrombehandlung

GebläseMembran-reaktor

GebläseNitrifikation

Zulauf

Permeat

V=200 m3

Rechen3 mm

SandfangFettfang

Feinsieb0,5 mm

Nitri-/Denitrifi-kationsbecken 1

Nitri-/Denitrifi-kationsbecken 2

RS

Rezirkulation

ÜS

Membran-filtration

Membran-filtration

RS

V=200 m3

Abb. 2-58

Fließschema der KA Rödingen

Abb. 2-59

Blick in die zwei Filtrationsstraßen beim Einbau

der ZeeWeed®-Kassetten [Foto: ERFTVERBAND]


Im Rahmen eines vom Land Nordrhein-Westfalen geför-

derten F&E-Vorhabens wurde der erstmalige Betrieb einer

deutschen großtechnischen Membranbelebungsanlage

wissenschaftlich begleitet, mit dem Ziel, hieraus weiter-

gehende Erkenntnisse für andere noch zu errichtende

Membranbelebungsanlagen zu gewinnen. Diese betrafen

insbesondere die Betriebsweise der Membranmodule, um

den Energiebedarf für deren Belüftung zu reduzieren.

Erfolgreich durchgeführte Maßnahmen dazu waren

• die straßenweise Zu- bzw. Abschaltung der Filtration

in Abhängigkeit von der zu filtrierenden Menge,

• die Einführung einer diskontinuierlichen Belüftung

der Membranmodule,

• die intermittierende Betriebsweise der Belebungsstufe,

um geringe Rezirkulationsvolumenströme zu erreichen.

Darüber hinaus zeigte sich, dass aufgrund von Verzop-

fungen an den Hohlfaserkapillarmembranen eine bessere

mechanische Reinigung des Abwassers erforderlich ist.

Dahingehend wird seit Februar 2001 zusätzlich eine Sie-

bung des Belebtschlamms als Teilstrombehandlung im

Bypass zwischen den Belebungsbecken und dem Filtra-

tionsbecken durchgeführt (siehe Abbildung 2-58), um

Fasern und Grobstoffe aus dem System zu entfernen, die

trotz der mechanischen Vorbehandlung in die Belebungs-

stufe gelangen [ENGELHARDT ET AL. 2001].

Kläranlage Schramberg-Waldmössingen

Die Kläranlage Schramberg-Waldmössingen leitet in den

schwachen und empfindlichen Vorfluter Heimbach ein.

Der Betrieb der Kläranlage war zunächst bis zum

31.12.1998 befristet, wobei die Kläranlage bereits in den

Jahren 1995 – 1998 an ihrer Kapazitätsgrenze betrieben

wurde. Gespräche mit der Aufsichtsbehörde ließen schon

1996 deutlich werden, dass der Ausbau nach dem kon-

ventionellen Belebungsverfahren ohne weitergehende

Behandlungsstufe nicht weiter genehmigt würde. Nach

Prüfung verschiedener Alternativen, wie z.B. der Anschluss

an und der Ausbau benachbarter Kläranlagen, fiel 2001

die Entscheidung zugunsten des Ausbaus der Kläranlage

am gleichen Standort nach dem Membranbelebungsver-

fahren als ökologisch und ökonomisch beste Lösung.

Die Kläranlage (Abbildung 2-60) ist heute für 2.600 E und

einen Abwasservolumenstrom von bis zu 90 m3/h ausgelegt.

Wie im Verfahrensschema der Kläranlage dargestellt ist

(Abbildung 2-61), erfolgt die mechanische Vorbehand-

lung über einen Rechen (5 mm Spaltweite) und einen

Sandfang. Dem Sandfang sind zwei parallel betriebene

Spaltsiebe (0,5 mm Spaltweite) zum besonderen Schutz

der Membranstufe nachgeschaltet. Die Belebungsstufe

besteht aus einem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken

(V = 250 m3), dem Nitrifikationsbecken (V = 480 m3) und

der Membranbelebungsstufe.

Die Membranstufe ist zweistraßig aufgebaut und enthält

insgesamt zehn Modulkassetten (Typ 500 c) der Firma

ZENON (Abbildung 2-62), die mit einer gesamten Mem-

branfläche von ca. 4.400 m2 durchschnittlich 2.160 m3/d

Permeat erzeugen.

Die Investition für die Kläranlage betrug 2,8 Mio. Euro

und wurde durch das Land Baden-Württemberg mit

123

Abb. 2-60

Kläranlage Schramberg [Foto: STADTWERKE

SCHRAMBERG 2004]

UF2.2.3.5


ca. 34 % im Rahmen der Regelförderung für Abwasserbe-

handlungsmaßnahmen bezuschusst und zeitlich priori-

siert, so dass die Anlage 2004 in Betrieb genommen

wurde. Der Betrieb und die Reinigungsergebnisse werden

ein Jahr lang durch die Universität Stuttgart betreut und

dokumentiert.

124

Zulauf

Vorfluter

Feinrechen0,5 mm

Nitrifikation,Membranstufe

Feinrechen0,5 mm

Gebläse-station

Denitri-fikation

Nitri-fikation

SandfangRechen5 mm

Rezirkulation (RZ)

Abb. 2-61

Verfahrensschema der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [nach STADTWERKE SCHRAMBERG 2004]

Abb. 2-62

Membrananlage auf der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [Fotos: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004],

links: Ansicht der Membranbecken, rechts: Membranmodul


Kläranlage Knautnaundorf

Die Kläranlage Knautnaundorf der Kommunalen Wasser-

werke Leipzig ist die jüngste in Deutschland in Betrieb

genommene Membranbelebungsanlage. Mit einer An-

schlussgröße von zurzeit 900 E (erweiterbar auf 1.800 E)

und einem Spitzenzufluss von 23 m3/h ist sie die kleinste

„großtechnische“ Membrananlage zur kommunalen

Abwasserbehandlung.

Obwohl am Standort keine erhöhten Anforderungen an

die Abwasserreinigung gestellt werden, konnte sich im

Ausschreibungsergebnis der Bau einer Membranbelebungs-

anlage gegen konventionelle Lösungen aufgrund deutlich

geringerer Investitionen durchsetzen. Entscheidend hier-

für war neben der geringen Größe vor allem der Anschluss

der Anlage an ein Trennsystem, wodurch die Investitionen

für die Membranstufe gegenüber im Mischsystem arbei-

tenden Anlagen reduziert werden konnten [WALTHER

2001].

Der verfahrenstechnische Aufbau gleicht den zuvor

beschriebenen Anlagen. Als Besonderheiten sind folgende

Punkte zu erwähnen:

• In der Membranstufe findet erstmalig das getauchte

System der Fa. Martin Systems Anwendung (siehe Kapi-

tel 2.1.2, Abbildung 2-11). Mit einer Membranfläche

von 756 m2 kann so erstmals die Leistungsfähigkeit

einer deutschen Neuentwicklung großtechnisch nach-

gewiesen werden.

• Die mechanische Vorreinigung ist mit einem zweistufigen

Rechen ausgestattet, wobei der hintere Feinstrechen

mit einer Lochweite von 1 mm jegliche Störstoffe aus

dem Filtrationsbereich fernhalten soll.

• Der Boden des Nitrifikationsbeckens ist vollständig mit

Plattenmembran-Belüfterelementen ausgestattet, um

einen optimalen Sauerstoffeintrag zu gewährleisten.

Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme im Oktober 2001

und Aufnahme des Regelbetriebes über einige Betriebs-

wochen wurde die Anlage aufgrund einer unerlaubten

Einleitung (Dieselöl) zur Klärung von Schadenersatz-

ansprüchen außer Betrieb genommen. Aussagen zum

Betriebsverhalten über einen langen Zeitraum können

daher derzeit nicht getroffen werden, da die Anlage erst

im April 2002 wieder in Betrieb genommen wurde.

125

UF2.2.3.6


126

Zulauf

Feinrechen3 mm

belüfteterSand-/ Fett-

Fang

Feinsieb1 mm

Belebungsbecken


Nachklärbecken

Membranstufe

Rezirkulation (RZ)

Vorfluter

Gebläse-station

Nitri-fikation

Denitri-fikation

Abb. 2-63

Verfahrensschema der Demonstrationsanlage Simmerath [nach WVER 2004]

Pilotanlage Simmerath

Der Wasserverband Eifel-Rur (WVER) betreibt Kläranlagen

in der Eifel, an deren Ablaufqualität aufgrund der Lage in

Trinkwassereinzugsgebiete erhöhte Anforderungen ge-

stellt werden. Niedrige Abwassertemperaturen im Winter

und ein hoher Fremdwasseranteil im Kanalnetz stellen

zusätzliche Herausforderungen für die Abwasserbehand-

lung dar. Die Anforderungen aus der Einleiterlaubnis für

die Kläranlage Simmerath sind in Tabelle 2-16 dargestellt.

Ausgehend von diesen Rahmenbedingungen startete im

Jahr 2003 auf der Kläranlage Simmerath, welche vom

WVER betrieben wird und für 15.000 E ausgelegt ist, ein

Pilotvorhaben zum Einsatz des Membranbelebungsver-

fahrens. Das Vorhaben wurde vom Ministerium für

Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbrau-

cherschutz (MUNLV) des Landes NRW gefördert.

Im Rahmen des Pilotvorhabens wurde auf der Kläranlage

Simmerath eine Membranbelebungsanlage errichtet, in

der getauchte Kapillarmembranmodule der Firma PURON

im technischen Maßstab unter realen Bedingungen ein-

gesetzt und erprobt werden (Abbildung 2-64). Die Mem-

branbelebungsanlage ist für 750 E ausgelegt und behan-

delt einen Teilstrom aus dem Ablauf der mechanischen

Vorbehandlung (Siebtrommel mit 3 mm Lochweite) der

Kläranlage Simmerath. Dieser Teilstrom gelangt ohne

weitere Vorsiebung in die Membranbelebungsanlage.

Diese besteht aus einem Belebungsbecken mit einem

Volumen von 136 m3, das in eine vorgeschaltete Denitri-

fikationsstufe und eine anschließende Nitrifikationsstufe

geteilt ist, und der nachgeschalteten Membranstufe mit

einem Volumen von 20 m3. Der TS-Gehalt im Becken

liegt zwischen 10 g/l und 14 g/l.

Tab. 2-16

Einleiterlaubnis für die Kläranlage Simmerath [WVER 2004]

Parameter CSB BSB5 NH4-N Nges Pges AOX

Einleiterlaubnis 40 mg/l 10 mg/l 3 mg/l 18 mg/l 0,8 mg/l 50 µg/l

UF2.2.3.7


Es wurden Erkenntnisse zum Verschlammungsverhalten

sowie zur Problematik der Faserstoffe in Membrananla-

gen gewonnen. Verschiedene praktizierte Reinigungskon-

zepte wurden hinsichtlich ihrer Wirkung getestet. Die

erzielten Reinigungsergebnisse der Anlage wurden doku-

mentiert und ausgewertet. Eine Beeinflussung der Deni-

trifikation durch die aus der Membrankammer rezirku-

lierten O2-Frachten wurde festgestellt und durch eine

geänderte Verfahrenskonfiguration verbessert.

Zurzeit werden in einem zweiten Untersuchungsab-

schnitt u. a. weiterentwickelte Membranen und die opti-

mierte Einbindung der Membranmodule in die Verfah-

renstechnik der Kläranlage untersucht.

127

Die Membranstufe besteht aus zwei Modulkassetten mit

einer Filterfläche von je 500 m2, die in zwei voneinander

getrennten Kammern betrieben werden. Der Schlamm aus

der Membranstufe wird in der Regel in den Denitrifikations-

bereich geführt, kann wahlweise aber auch in den Nitrifi-

kationsbereich geführt werden. Das Permeat der Membran-

stufe wird in den Zulauf der Anlage Simmerath geführt.

Während des Untersuchungszeitraums wurden die Mem-

branmodule und deren Betrieb kontinuierlich optimiert,

so dass sich der Betrieb der Membrananlage deutlich ver-

besserte. Die Betriebswerte der Membranbelebungsanlage

sind in Tabelle 2-17 aufgeführt.

Abb. 2-64

Membrananlage auf der Kläranlage Simmerath [Fotos: PURON AG 2003],

links: Denitrifikations- und Nitrifikationsbecken mit der Halle für die Membrananlage,

rechts: Membrankassette

Tab. 2-17

Betriebswerte der Membranbelebungsanlage in Simmerath [WVER 2004]

Parameter CSB BSB5 NH4-N Nges Pges AOX

Betriebswerte < 30 mg/l keine Angaben < 1 mg/l < 8 mg/l < 2 mg/l – µg/l


Golfplatz St. Wendel

Die Stadt St. Wendel betreibt seit einigen Monaten am

Standort des örtlichen Golfplatzes eine neue Kläranlage

nach dem Membranbelebungsverfahren, die derzeit die

Abwässer aus den sanitären Anlagen des Golfplatzes und

des Restaurants reinigt. Zurzeit fallen etwa 3 m3/d an

Abwasser an. Im nächsten Jahr wird das zur Golfanlage

gehörende Hotel fertig gestellt, so dass die Belastung der

Kläranlage dann ca. 150 E und damit der Ausbaukapazität

entspricht. Pro Tag sollen dann 15 m3 Abwasser gereinigt

werden. Das in der Kläranlage gereinigte Abwasser wird

am Golfplatz versickert. Es besteht auch die Möglichkeit

das gereinigte Abwasser zur Golfplatzbewässerung einzu-

setzen.

Der Bau und der Betrieb der Membranbelebungsanlage

werden im Rahmen eines vom Umweltministerium des

Saarlandes geförderten Forschungsvorhabens finanziell

unterstützt. Eine Neuheit sind die eingebauten kerami-

schen Ultrafiltrationsmembranen (Trenngrenze ~0,1 µm)

der Firma ItN Nanovation, die deutschlandweit zum

ersten Mal zur kommunalen Abwasserreinigung einge-

setzt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wer-

den die Leistungsfähigkeit und die Standzeit der kerami-

schen Membranen untersucht. Insbesondere in Bezug auf

die Standzeit wird ein deutlicher Vorteil der keramischen

Membranen im Vergleich zu Polymermembranen erwartet.

128

Tab. 2-18

Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Golfplatz St. Wendel

[STADT ST. WENDEL 2005]

Parameter Einheit Mindestanforderungen Betriebswerte

CSB mg/l 150 18

BSB5 mg/l 40 < 4

Gesamtcoliforme Bakterien KBE/100 ml < 100

Abwasser

VersickerungPuffer-behälter

Belebungsstufe Membranstufe

Feinsieb3 mm

Permeat-behälter

Abb. 2-65

Verfahrensschema der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [nach STADT ST. WENDEL]

UF2.2.3.8


Die Kläranlage besteht aus einem 7 m3 fassenden Puffer-

behälter, einer Siebtrommel mit einer Lochweite von 3 mm,

der Belebungsstufe mit einem Volumen von etwa 20 m3

und einem anschließenden Permeatspeicher. Das Abwas-

ser gelangt über den Pufferbehälter und die Siebtrommel

in die Belebungsstufe, in welche die getauchten Membra-

nen installiert sind. Die Membranen werden über

geschlitzte Rohre von unten belüftet, so dass die einge-

blasene Luft sowohl zur Kontrolle der Deckschicht auf den

Membranen als auch zur Belüftung der Belebungsstufe

genutzt wird. Die Becken sind vollständig durchmischt,

so dass auf eine Schlammrückführung verzichtet werden

kann. Der TS-Gehalt in der Belebungsstufe liegt zurzeit

bedingt durch den geringen Abwasservolumenstrom bei

etwa 4 g/l, wobei die Bemessung mit einem TS-Gehalt

von 12 g/l für den Ausbauzustand vorgenommen wurde.

Die Membranstufe besteht aus einem Rack mit drei Modu-

len. Jedes Modul verfügt über eine Membranfläche von

11 m2, sodass insgesamt eine Membranfläche von 33 m2

installiert ist. Bei Erweiterung der Anschlusskapazität wer-

den weitere Module nachgerüstet.

Das Betriebs- und Reinigungskonzept der Membrananla-

ge unter Einsatz von getauchten keramischen Plattenmo-

dulen ist mit dem der getauchten Modulsysteme auf

Polymerbasis vergleichbar. Durch die „robusteren“ kera-

mischen Membranen sind aber u.a. höhere transmembra-

ne Druckdifferenzen, höhere Druckniveaus bei der Rück-

spülung und der Einsatz höher konzentrierter Reinigungs-

chemikalien möglich.

Die Investition der Anlage betrug rund 400.000 Euro,

von der 75 % durch das Land Saarland getragen wurden.

In den 400.000 Euro sind neben den Kosten für die

eigentliche Membranbelebungsanlage u.a. die Kosten für

die Peripherie, die Einhausung und eine Klärschlamm-

vererdungsanlage enthalten.

129

Abb. 2-66

Modulrack auf der Kläranlage Golfplatz St. Wendel,

links: Draufsicht [Foto: ItN NANOVATION], rechts: Seitenansicht [Foto: ABWASSERWERK ST. WENDEL]


Kläranlage Glessen (in Planung)

Die Kläranlage Glessen (Erftverband) hat derzeit eine An-

schlussgröße von ca. 5.000 E. Der Ablauf der Kläranlage

wird in einen Vorfluter eingeleitet, dessen Wasser in das

Grundwasser eines Trinkwassereinzuggebietes durch Ver-

sickerung eingetragen wird. Die Anforderungen an die Ab-

laufqualität sind daher höher als die Mindestanforderungen

für Kläranlagen dieser Größenklasse (siehe Tabelle 2-19).

Um weiterhin die Anforderungen an die Ablaufqualität

einhalten zu können, wird die Kläranlage unter Nutzung

bestehender Anlagenteile erweitert.

In diesem Zusammenhang wird auch eine ca. 4 km ent-

fernte Kläranlage mit einer Druckleitung angeschlossen,

so dass die Ausbaukapazität der Anlage am Standort Glessen

nach der Erweiterung für 9.000 E ausgelegt ist. Bei Trocken-

wetter beträgt die Tageswassermenge 2.394 m3/d.

130

Tab. 2-19

Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004]

Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis

für KA der GK 3

CSB mg/l 90 30

BSB5 mg/l 20 6

NH4-N mg/l 10 1,5

Pges mg/l – 0,6

Zulauf

SandfangFeinrechen5-6 mm

Nitri-fikations-becken


Membranstufe/Nitrifikation

Rezirkulation (RZ)

Gebläse-station

Vorfluter

Siebanlage0,5 mm

Siebanlage0,5 mm

Abb. 2-67

Verfahrensschema der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004]

UF2.2.3.9


Die Kläranlage Glessen befindet sich zurzeit in der Pla-

nung. Das Planungskonzept (Abbildung 2-67) sieht die

mechanische Vorbehandlung über einen einstraßigen

Rechen mit einer Spaltweite von 6 mm vor. Der Sandfang

mit einem Volumen von 53 m3 ist einstraßig geplant.

Daran schließt sich die zweistraßige Feinsiebstation mit

einer Lochweite von 0,5 mm an. Die Membranbelebungs-

anlage wird mit simultaner Denitrifikation und aerober

Schlammstabilisierung betrieben. Das Umlaufbecken zur

Denitrifikation und Nitrifikation hat ein Volumen von

1.680 m3.

Anlagen außerhalb Deutschlands mit Ultrafiltra-

tionsmembranen

Die bis zum Jahr 2004 größte Membranbelebungsanlage

der Welt und eine der modernsten Anlagen Englands ist

die Kläranlage Lowestoft, die Anfang 2002 mit einer Kapa-

zität von 46.000 E (nur für den Teil Membranbelebungs-

anlage) in Betrieb ging (Abbildung 2-68). Hierbei als auch

auf der Kläranlage Campbeltown (6.000 E - 9.000 E) kommt

das ZenoGem®-System zum Einsatz

Die Planung basiert auf dem Einsatz der Membranen der

Firma ZENON in vier Becken mit jeweils sieben Modulen

des Typs 500 c und einer Gesamtmembranfläche von

12.320 m2. Die Planung sieht eine Filtration bei einem

TS-Gehalt von 12 g/l vor. Die Auslegung der Membran-

anlage erfolgte unter Zugrundelegung einer spezifischen

Filtrationsleistung von 22 l/(m2 · h), die kurzfristig bei

Außerbetriebnahme einer Membranstraße auf etwa

30 l/(m2 · h) gesteigert werden muss. Das alte Nachklär-

becken mit einem Volumen von 560 m3 wird als Puffer-

becken genutzt.

131

Zulauf

Einleit-bauwerk

Verteiler Lamellen-Klärer

Membranbioreaktor 1

Membranbioreaktor 2 Permeatspeicher

Rückspülpumpen

ZumEinleit-bauwerk

Vakuumpumpen

Verteiler

ZeeWeed®

ZeeWeed®

Abb. 2-68

Luftbild und Fließbild der Kläranlage Lowestoft [ZENON 2002]

UF2.2.4


Pilotanlagen auf der Kläranlage Beverwijk,

Niederlande

Auf der Kläranlage Beverwijk mit einer Kapazität von

450.000 E wurde in den Jahren 2000 bis 2004 das in den

Niederlanden maßgebliche Forschungsvorhaben zum

Membranbelebungsverfahren von dem Ingenieurbüro

DHV und der Stichting Toegepast Onderzoek Waterbe-

heer (Stowa) durchgeführt. Während dieser vier Jahre

wurden unterschiedliche Modulsysteme (ZENON, Kubo-

In Abbildung 2-69 sind die einzelnen Pilotanlagen

zusammengestellt.

Über die Ergebnisse des Untersuchungsvorhabens wurde

bereits mehrfach berichtet [z. B. VAN DER ROEST ET AL.

2002]. Auf Basis der Ergebnisse in Beverwijk wurde die

großtechnische Anlage in Varsseveld konzipiert und gebaut.

ta, X-Flow, Mitsubishi, Memfis, Toray und Huber) auf

ihre Leistungsfähigkeit und Praxistauglichkeit untersucht.

Die Untersuchungen wurden auf einem eigens dafür

errichteten Testfeld an jeweils separaten Membranbele-

bungsanlagen durchgeführt. Die Übersicht in Tabelle

2-20 gibt die wesentlichen Eckdaten zu den einzelnen

Versuchsanlagen wieder.

132

Tab. 2-20

Eckdaten zu den verschiedenen Pilotanlagen [DHV 2004]

Hersteller

Huber

Kubota

Memfis

Mitsubishi

Toray

X-Flow

ZENON

ZENON

ZENON

Membrantyp

Platte

Platte

Platte

Hohlfaser

Platte

Tubular

Hohlfaser

(Modul ZW 500a)

Hohlfaser

(Modul ZW 500c)

Hohlfaser

(Modul ZW 500d)

Porenweite [µm]

0,038

0,4

0,05

0,4

0,08

0,03

0,035

0,035

0,035

Membranfläche [m2]

360

240

112

314

137

220

184

55

90

Permeatfluss [m3/h]

15

10

5

7

5

9

8

3

5

Untersuchungs-

zeitraum

10/03 – 07/04

05/00 – 07/02

05/02 – 06/03

05/00 – 03/02

02/03 – 02/04

05/00 – 04/02

03/00 – 10/02

03/01 – 03/03

11/02 – 08/03

UF2.2.4.1


133

Abb. 2-69

Fotos der Pilotanlagen und Membranmodule auf dem Testfeld der Kläranlage Beverwijk [DHV 2004]

Von links nach rechts: Huber, Huber

Von links nach rechts: Kubota, Kubota, Mitsubishi, Mitsubishi

Von links nach rechts: X-Flow, X-Flow, Zenon, Zenon

Von links nach rechts: Memfis, Memfis, Toray, Toray


Kläranlage Varsseveld, Niederlande

Am Standort der Kläranlage Varsseveld wird die erste

großtechnische Membranbelebungsanlage in den Nieder-

landen umgesetzt und Anfang 2005 in Betrieb gehen. Im

Rahmen eines Forschungsvorhabens wird seit April 2004

eine Pilotanlage am Standort der Kläranlage Varsseveld

für einen Permeatvolumenstrom von 3,5 m3/h betrieben

und daran Verfahrensoptimierungen für die großtechni-

sche Anlage intensiv untersucht. Parallel dazu wird die

großtechnische Anlage gebaut. Das Vorhaben wird von

dem Wasserverband Rijn en IJssel, der Stowa, der DHV

und weiteren Institutionen durchgeführt und betreut.

Die Finanzierung des Forschungsvorhabens erfolgt über

die Stowa und das EU-Life-Programm. (Siehe dazu auch

die Fördermöglichkeiten der EU im Anhang).

Die Anschlussgröße der Kläranlage Varsseveld beträgt

23.150 E und der maximale Abwasservolumenstrom

755 m3/h. Wie für niederländische Kläranlagen typisch,

ist die hydraulische Belastung bei Regenwetter um den

Faktor drei höher als die durchschnittlich zulaufende

Abwassermenge. Die durchschnittliche tägliche Abwasser-

menge wurde mit 5.000 m3/d ermittelt. Die Aufsichtsbe-

hörden fordert für Stickstoff die Einhaltung von Ablauf-

konzentrationen < 5 mg/l und für Phosphor < 0,15 mg/l.

Die Membrananlage wurde vierstraßig ausgelegt (Abbil-

dung 2-70) und weist eine Membranfläche von insgesamt

20.160 m2 in den Modulen der Firma ZENON (Modultyp:

ZW 500d) auf. Der bei Regenwetter kalkulierte spezifische

Fluss beträgt 37,5 l/m2h Permeat. Die Membrananlage ist

bei Bedarf durch weitere Module erweiterbar. Die Investi-

tion für die Kläranlage Varsseveld ist mit 10 Mio. Euro

kalkuliert.

134

Zulauf

Rezirkulation (RZ)

Sandfang

Umlaufbecken mit Belüftungszonenund vorgeschalteter Denitrifikation

Feinrechen6 mm

Ablauf

Feinsieb0,8 mm

Membranstufe

Abb. 2-70

Verfahrensschema der Kläranlage Varsseveld [nach DHV 2004]

UF2.2.4.2


Kläranlage Brescia, Italien

Die Kläranlage Brescia ist ein Beispiel dafür, dass das

Membranbelebungsverfahren vorteilhaft sein kann, wenn

eine Erweiterung der Kläranlage notwendig, die Platzver-

hältnisse jedoch begrenzt sind.

Seit 1980 bestand die Kläranlage Brescia als dreistraßige

Belebungsanlage, wobei jede Straße aus einem Vorklär-

becken, einem Belebungsbecken, einem Nachklärbecken

und einer anschließenden Dosierstation für Chlor bestand.

Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an den Ablauf-

wert für Nges <15 mg/l musste die Kläranlage im Jahr 2000

erweitert werden. Ein konventioneller Ausbau hätte große

zusätzliche Beckenvolumina für die Einrichtung einer

Denitrifikationszone erfordert, was die gegebenen Platz-

verhältnisse nicht zuließen. Für den Ausbau nach dem

Membranbelebungsverfahren war lediglich der Umbau

einer Behandlungsstraße notwendig (Abbildung 2-71).

Das Nachklärbecken einer Behandlungsstraße wurde durch

eine vierstraßige Membranstufe ersetzt. Diese enthält

160 Membrankassetten des Typs 500c (Kapillarmembra-

nen) der Firma ZENON mit einer gesamten Membran-

fläche von 70.400 m2. Die Membranbelebungsanlage

behandelt damit 50 % des Abwasservolumenstroms

135

Rezirkulation (RZ)

Zulauf


Sandfang

Bestand

Membranstufe

Nitri-fikation


NachklärbeckenNitri-fikation


Rezirkulation (RZ)


NachklärbeckenNitri-fikation


Rezirkulation (RZ)


Zulauf


Sandfang

Vorfluter

Ablauf

Erweiterung

Abb. 2-71

Verfahrensschema der Kläranlage Brescia [nach ZENON GMBH 2004]

UF2.2.4.3


(ca. 40.000 m3/d) der Kläranlage Brescia. Die verbleiben-

den 50 % werden in den beiden konventionellen Bele-

bungsstraßen behandelt. Insgesamt hat die Kläranlage

Brescia heute damit eine Behandlungskapazität von rund

150.000 E. Abbildung 2-72 zeigt die Luftaufnahme der

Kläranlage Brescia.

Durch den im Jahr 2002 abgeschlossenen Umbau konn-

ten die Ablaufwerte der Kläranlage deutlich verbessert

werden. Tabelle 2-21 zeigt die Rohabwasserkonzentration

für einige Parameter, die erreichten Betriebswerte der

Kläranlage und die Anforderungen an die Ablaufqualität.

136

Tab. 2-21

Rohabwasserkonzentration, Betriebswerte und Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage

Brescia [ZENON GMBH 2004]

Parameter Einheit Rohabwasserkonzentration Betriebswerte der Kläranlage Anforderungen

an die Ablaufqualität

CSB mg/l 505 20 < 125

BSB5 mg/l 255 10 < 25

TS mg/l 290 n. n. 2

TKN mg/l 50 2 < 15 (Nges)

Trübstoffe mg/l >50 < 10 k. A.

n. n. = nicht nachweisbar; k. A. = keine Angaben

Abb. 2-72

Luftaufnahme der Kläranlage Brescia [Foto: ZENON GMBH 2004]


Kläranlage Säntis, Schweiz

Auf dem Gipfel des Säntis befindet sich eine Bergstation

mit Gastronomiebetrieb und Telekommunikationszen-

trum. Um die dort anfallenden Abwässer zu reinigen und

eine Aufbereitung von Abwasser zu Brauchwasser durch-

zuführen, wurde die bestehende Kleinkläranlage durch

Membrantechnik nach dem ZenoGem®-Verfahren im

Jahre 2000 erweitert. Die Anlage wird von der Swisscom

und der Säntis-Schwebebahn AG betrieben.

Infolge der kompakten Bauweise durch den Einsatz der

Membrantechnik konnte die Anlage auf engstem Raum

in das bestehende Gebäude integriert werden. Sie zeich-

net sich zudem durch hohe Reinigungsleistungen

(Ablaufwerte: CSB < 30 mg/l, NH4-N < 2 mg/l) bei extre-

men Temperaturen sowie einer hohen Zulaufdynamik

infolge sprunghafter Belastungsänderungen bei täglich

bis zu 8.000 Besuchern aus.

137

Küchenabwasser

SchlammspeicherAbsackung

Fettabscheider Siebschnecke

Pufferbehälter

Sonstiger Zulauf

Permeat-behälter

DesinfektionBahn-transport

Nitrifikationmit ZeeWeed®

Denitrifikation

Ablauf

Abb. 2-73

Ansicht und Fließbild der Membranbelebungsanlage nach dem ZenoGem®-Verfahren auf dem Säntis

[ZENON 2002]

Lage der Membranbelebungsanlage auf dem Säntis und Ansicht der Module [ZENON 2002]

UF2.2.4.4


2.3

Kleinkläranlagen, mobile Anlagen und Schiffs-

kläranlagen mit Membrantechnik

Klein- bzw. Hauskläranlagen kommen in Deutschland als

dauerhafte Lösung nach den Vorgaben der jeweiligen

Landeswassergesetze zum Einsatz. In NRW ist § 53 Abs. 4

LWG maßgeblich, wonach eine grundstücksbezogene

Abwasserbeseitigung nur für Grundstücke außerhalb im

Zusammenhang bebauter Ortsteile möglich ist.

Nach einer Abschätzung [OTTO 2000] verbleiben bis zum

Jahr 2006 bis zu 4 Millionen Bundesbürger, welche nicht

an eine zentrale Abwasserentsorgung angeschlossen sind

und daher selbst für die Entsorgung ihres Abwassers sor-

gen müssen. In Nordrhein-Westfalen sind derzeit etwa

580.000 Einwohner nicht an zentrale Kanalisations- und

Kläranlagen angeschlossen, deren entstehendes Abwasser

in ca. 130.000 Kleinkläranlagen und abflusslosen Gruben

gereinigt wird [MUNLV 2005].

Im Zuge der technischen Entwicklung findet auch im

Bereich der Kleinklärtechnik die Membranfiltration zu-

nehmend Akzeptanz.

Mit der Membrantechnik kann auch für kleine Abwasser-

reinigungsanlagen eine hohe und betriebsstabile Reini-

gungsleistung erzielt werden (Tabelle 2-22). Für den Be-

treiber eröffnet sich hierbei neben der Versickerung des

gereinigten Abwassers auch die Möglichkeit der Wieder-

verwendung als Brauchwasser, z. B. für die Toilettenspü-

lung oder zur Gartenbewässerung. Neben den ökologi-

schen Aspekten können daher auch zu erwartende Kos-

teneinsparungen durch einen geringeren Trinkwasserver-

brauch für Brauchwasseranwendungen entscheidungs-

weisend für dieses Verfahrenskonzept sein.

Verschiedene Anlagenbauer bieten inzwischen entspre-

chende Systeme an bzw. arbeiten an deren Entwicklung.

Die einwohnerbezogenen Investitionen liegen zurzeit,

je nach Anlagengröße, zwischen 1.000 und 1.500 Euro

pro Einwohner, zusätzlich sind für Betrieb und Wartung

weitere Kosten von 60 bis 110 Euro pro Einwohner und

Jahr anzusetzen. Im Folgenden werden kurz die ausgereif-

testen Anlagensysteme dargestellt, die bereits über zahl-

reiche Referenzen verfügen.

Busse-MF-Anlage der Fa. Busse

Die erste Klein- bzw. Hauskläranlage die nach dem Mem-

branbelebungsverfahren konzipiert ist und über die allge-

meine bauaufsichtliche Zulassung durch das Deutsche

Institut für Bautechnik (DIBt) [Z-55.3-60] verfügt, wird

von der Busse Innovative Systeme GmbH hergestellt und

vertrieben.

Seit Produktionsbeginn im Herbst 1999 kamen inzwischen

über 250 Anlagen (Stand: 2005) nach diesem patentierten

Verfahren in Größen von 2 bis 50 angeschlossenen Ein-

wohnern für die Abwasserreinigung in Ein- bzw. Mehr-

familienhäusern sowie Bürogebäuden, Gaststätten und

Hotels in Deutschland und weiteren zehn Ländern zum

Einsatz [BUSSE 2005]. Durch den Einsatz der Membranen

ist das Busse-MF-System sehr kompakt, wie Abbildung

2-74 exemplarisch für das Anwendungsbeispiel einer im

Keller eines Wohnhauses installierten Busse-MF-Anlage

zeigt.

Wie in Abbildung 2-75 anhand des Verfahrensschemas

dargestellt, besteht das System aus zwei Behältern. Der

erste Behälter (Vorklärung) wird direkt an das Fallrohr zur

Abwasserableitung angeschlossen und erfüllt die Funk-

138

Abb. 2-74

Ansicht der Busse-MF-Kleinkläranlage

(vormals Bio-MIR® [BUSSE 2002])

MF2.3.1


tion der Grobstoffabscheidung sowie der Abwasser- und

Schlammzwischenspeicherung. Aus der mittleren Behäl-

terzone wird die flüssige Phase über eine mit einem Kunst-

stoffnetz geschützte Mammutpumpe in den zweiten Be-

hälter (Belebungsbecken) geführt. Dort finden die biolo-

gische Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren

sowie die Phasenseparation durch getauchte Plattenmo-

dule der Firma Kubota statt. Die notwendige transmem-

brane Druckdifferenz für den Permeatabzug wird durch

den hydrostatischen Druck der Wassersäule zwischen

Permeatauslass und Füllstand des Belebungsbeckens auf-

gebracht. Hierdurch kann auf eine Saugpumpe für den

Permeatabzug im System verzichtet werden.

Übliche Aufstellorte für die Anlage sind Keller oder

Garage, ggf. kann auch eine bestehende Grube als vorge-

schalteter Abwasserspeicher und Grobstoffabscheider ge-

nutzt werden. In diesem Fall ist nur die nachgeschaltete

Belebungsstufe mit Membranfiltration nachzurüsten.

Die Reinigungsleistung erfüllt die Anforderungen ge-

mäß der Zulassungsgrundsätze für Kleinkläranlagen des

DIBt [N.N. 2002d], wie in der Zertifizierung und weiteren

unabhängigen Untersuchungen nachgewiesen wurde

[ROSENWINKEL ET AL. 2001; KRAUME ET AL. 2000].

Eine Gegenüberstellung der Grenzwerte nach DIBt [N.N.

2002d] und der Mittelwerte von monatlich entnomme-

nen qualifizierten Stichproben und 24-h-Mischproben

aus einem Versuchszeitraum von einem Jahr [ROSEN-

WINKEL ET AL. 2001] zeigt Tabelle 2-22. Demnach wer-

den die Anforderungen an die Behandlung z. T. weit

unterschritten.

139

Abwasser aus Bad,Küche, Toilette

Entlüftung übervorhandenes Fallrohr

Verdichter

Mammutpumpe mitGrobstoffabscheider

Abwasser- undSchlammzwischenspeicher

Belebungsstufe mit Filtrationseinheit

Permeat

Abb. 2-75

Schematische Darstellung einer Busse-MF-Anlage [BUSSE 2002]

Tab. 2-22

Anforderungen an die Ablaufgüte von Kleinkläranlagen und ermittelte Ablaufwerte der Busse-MF-Anlage

Parameter Einheit Mindestanforderungen Grenzwerte nach DIBt 2000 Ablaufwerte

für Anlagen mit Nitrifikation Busse-MF-Anlage

[N. N. 2002d] [ROSENWINKEL ET AL. 2001]

CSB mg/l 150 90 39

BSB5 mg/l 40 20 2,4 *

NH4-N mg/l – 10 (bei > 12 °C) 4,5

AFS mg/l – 50 0,65 *

* Erhöhte Ablaufwerte sind bedingt durch Algenwachstum im Filtratsammelbehälter.


2.3.2

UltraSept-Anlage der Fa. Mall

Ein weiteres System ist die UltraSept-Anlage, die von der

Fa. Mall GmbH angeboten wird (Abbildung 2-76). Es wer-

den inzwischen 50 dieser Anlagen mit 6 bis 40 angeschlos-

senen Einwohnern in Deutschland betrieben.

Die Anlage besteht aus drei Kammern, die nach dem

Prinzip einer Dreikammergrube angeordnet sind. Die

ersten zwei Beckenkompartimente werden zur Vorreini-

gung des zufließenden Abwassers nach dem Prinzip einer

Mehrkammerabsetzgrube betrieben. In der dritten, größ-

ten Kammer befinden sich die Belebungsstufe sowie die

Filtrationseinheit für den Abzug des gereinigten Abwas-

sers. Als Membranmodul kommt ein Modul der Firma

Weise zum Einsatz.

Für den Einbau der Anlage wird üblicherweise eine Grube

ausgehoben, in welche die Kompaktanlage vollständig

versenkt wird. Für den Fall, dass bereits eine Mehrkam-

mergrube vorhanden ist, besteht neben einer Neuinstalla-

tion die kostengünstigere Möglichkeit, den vorhandenen

Behälter mit einem Nachrüstsatz mit Membrantechnik

auszustatten und hierdurch die Ablaufqualität der Anlage

zu verbessern.

140

Zulauf

Notüberlauf

Anschluss für Ablauf, Zuluft, Steuerleitung

Mechanische Stufe

Gummidichtung (Elastomerdichtung)

Biologische Stufe

Schwimmerschalter

Unterdruckleitung

Zuluftleitung

Membranmodul (physikalische Stufe)

Mall UltraSeptAllgemeine Bauaufsichtliche Zulassung beantragt

Abb. 2-76

Schema der UltraSept-Anlage der Fa. Mall [MALL 2002]

MF2.3.2


Kleinkläranlage für 4 EW in NRW

Im Rahmen eines Pilotprojekts zur dezentralen Abwasser-

einigung und Brauchwasseraufbereitung mit Membran-

technik wird in der nördlichen Eifel, NRW, eine Klein-

kläranlage nach dem UltraSept-Verfahren betrieben. Die

Anlage ist auf dem Hof einer vierköpfigen Familie instal-

liert, die im Nebenerwerb eine Rinderzucht betreibt.

Die Membranbelebungsanlage verfügt über eine Nenn-

leistung von 900 l/d und wird mit einem tatsächlichen

Abwasseranfall von 600 l/d beaufschlagt. Zusätzlich zur

Abwasserreinigungsanlage sind zwei Speichertanks zur

weiteren Nutzung des gereinigten Abwassers installiert

worden, die Differenzen zwischen Brauchwasseranfall

und -bedarf puffern.

Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW),

Brauchwasseraufbereitung

Bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau in Frankfurt (KfW)

wird eine Kombination aus einer Festbettbelebungsstufe

und einer Membranstufe zur Aufbereitung von Grauwas-

ser zu Brauchwasser eingesetzt. Das Grauwasser setzt sich

aus dem Duschabwasser der Mitarbeiterwohnungen und

dem Abwasser aus den Teeküchen und der Vorstandskü-

che zusammen.

Das Abwasser aus den Küchen wird zunächst in einem

Fettabscheider vorbehandelt, und die Duschabwässer

werden mechanisch über eine Siebanlage von Haaren etc.

befreit (Abbildung 2-77). Beide vorgereinigten Abwasser-

ströme werden in eine Belebungsstufe geführt.

Ein kleiner Tank mit einem Volumen von 0,6 m3 wird

zur Deckung des Brauchwasserbedarfs im Haus genutzt.

Er ist unterirdisch, lichtabgeschlossen installiert, um

einer Wiederverkeimung des Wassers während der Lage-

rung vorzubeugen. Die Anschlüsse an das häusliche

Leitungssystem sind nach den technischen Regeln der

Regenwassernutzung ausgeführt.

Brauchwasser, das nicht unmittelbar im Haus benötigt

wird, gelangt in einen Langzeitspeicher, der im Fall des

Pilotprojekts als Folienteich mit einem Fassungsvermö-

gen von 36 m3 ausgeführt ist. Das dort gespeicherte Was-

ser wird als Brauchwasser zur Reinigung der Ställe und

des Hofplatzes sowie zur Gartenbewässerung genutzt

[KLEMENS 2002].

141

Duschabwasser

Festbett-belebung

VorlageBrauch-wasser

Ultrafiltration

Küchenabwasser

Sieb

Sieb

Vorlage

Toiletten

Abb. 2-77

Grauwasseraufbereitung bei der KfW

MF2.3.3

UF2.3.4

MembraneClearBox®-Kleinkläranlage und Honey-

Comb® der Hans Huber AG

Die Hans Huber AG bietet vor allem für die dezentrale

Abwasserentsorgung im ländlichen Raum die Kleinklär-

anlage MembraneClearBox® (MCB) und das HoneyComb®-

System an. Beide Systeme können als Nachrüstsatz in

vorhandene Mehrkammerausfaulgruben bzw. neu zu

erstellende Gruben eingebaut werden (Abbildung 2-79).

Das Verfahren besteht aus den drei Schritten Vorklärung,

Belebung und Membranfiltration mit getauchten Ultrafil-

trationsmodulen, wobei die MembraneClearBox® (MCB)

für bis zu 8 Einwohner und das HoneyComb®-System für

9 bis 150 Einwohner eingesetzt werden können.

Die erste Kammer der Dreikammergrube dient der Vorklä-

rung und die zweite als Vorklärung bzw. Pufferbehälter,

bevor das Abwasser im freien Überlauf in die dritte Kam-

mer fließt, die als Belebungsbecken ausgeführt ist. Darin

eingehängt sind der jeweilige Einbausatz und ein Belüfter


Die biologische Stufe ist als Festbettbelebung mit speziel-

len Aufwuchskörpern ausgeführt, die von ACO Passavant

entwickelt wurden. Im Anschluss an die Belebungsstufe

wird das Abwasser in eine Vorlage und von dort über

eine Ultrafiltrationsanlage, eine MicroClear-Anlage der

Firma Weise Water Systems GmbH, filtriert (Abbildung

2-78). Die Anlage ist mit getauchten Plattenmodulen aus-

gestattet, über deren gesamte Membranfläche von 44 m2

durchschnittlich 500 l/h Permeat erzeugt wird. Da der TS-

Gehalt lediglich aus dem Schlammabtrieb der Aufwuchs-

körper resultiert und daher im Vergleich zu anderen

Membranbioreaktoren mit suspendierter Biomasse relativ

gering ist, haben die Plattenmembranmodule kleine Plat-

tenabständen von 2,5 mm.

Das aufbereitete Wasser wird in eine Vorlage geleitet. Als

Brauchwasser wird es u. a. für die Toilettenspülung im

Verwaltungsgebäude und den Wohnungen der Mitarbei-

ter verwendet.

zur Versorgung der Biologie. Der Einbausatz besteht je

nach Größe der Anlage aus einer unterschiedlichen

Anzahl von Plattenmodulen, den so genannten VUM-

Modulen (VacuumUpstreamMembrane), die mit Ultrafil-

trationsmembranen ausgestattet sind. Das Klarwasser

wird über eine Unterdruckpumpe abgezogen und kann

entweder als Brauchwasser wieder verwendet oder abge-

leitet bzw. versickert werden. Die zugehörige Aggregate-

und Steuerungseinheit (Abbildung 2-80) kann entweder

in einem beheizten Schaltschrank nahe der Grube oder

im Keller des angrenzenden Wohnhauses installiert wer-

den. Die MCB-Kleinkläranlagen sind mit einer Fernüber-

wachung ausgestattet, die bei Eintreten einer Störung

eine Benachrichtigung über SMS, E-Mail oder Fax sendet.

Der Betrieb der realisierten Kleinkläranlagen zeigt nach

Angaben des Anbieters, dass der CSB-Wert um mehr als

95 % und der Ammoniumstickstoff um ca. 98 % reduziert

werden kann. Der Energieverbrauch für eine 4 E-Anlage

beträgt ca. 2 kWh/d. Die Überschussschlammproduktion

ist in einigen Anlagen deutlich zurückgegangen, in einer

142

Abb. 2-78

Membrananlage zur Brauchwasseraufbereitung im

Keller der KfW [WEISE WATER SYSTEMS GMBH]

UF2.3.5


Anlage z. B. von anfänglich ca. 0,09 kgTS/(m3· d) bei län-

gerem Betrieb auf nur noch 0,015 kgTS/(m3· d). Eine Ent-

nahme von Überschussschlamm war auch nach mehr als

einem Jahr Betrieb nicht notwendig.

143

1. Absetzbecken mit Grobentschlammung

2. Absetzbeckenmit Überlauf

Notüberlauf

Belüftung 3. BelebungsbeckenMembranfiltration

Permeatabzug

Zulauf

1. Absetzbecken mit Grobentschlammung

Zulauf

2. Absetzbeckenmit Überlauf

3. Belebungsbecken

Membranfiltration

Belüftung

Abb. 2-79

Einbauskizze einer Membrankleinkläranlage in eine Mehrkammergrube [HUBER AG 2004]

Abb. 2-80

MembraneClearBox®-Kleinkläranlage der Huber AG [Fotos: HUBER AG 2004], links: Aggregate- und Steue-

rungseinheit, rechts: MCB-Nachrüstsatz, bestehend aus Plattenmodul und Belüfter


Mobile Anlagen für den Einsatz in Feldlagern

Einsätze der Bundeswehr finden an wechselnden Orten

im Inland und im Ausland zeitlich begrenzt statt und

können oft nicht langfristig geplant werden. Meist kann

nicht auf vorhandene Infrastrukturen zurückgegriffen

werden, so dass Ver- und Entsorgungsstrukturen sowohl

mobil, einfach bedienbar und international einsetzbar als

auch den gesetzlichen Vorgaben und den Bedürfnissen

der eingesetzten Truppen gerecht werden müssen.

Aufgrund dieser Anforderungen hat das Bundesamt für

Wehrtechnik und Beschaffung, Koblenz, die A3-Abfall-

Das zu behandelnde Abwasser wird mittels einer Pump-

station über eine Zerkleinerungseinheit dem Container

zugeführt. Die außenseitige Zuführung erfolgt über auto-

matisch beheizte und isolierte Schlauchleitungen, um

den Einsatz in kalten Gebieten gewährleisten zu können.

Der Container enthält einen Membranbioreaktor, auf

dessen Boden sechs getauchte Plattenmembranmodule

der Firma A3 GmbH mit einer Membranfläche von ins-

gesamt 120 m2 installiert sind. Das Filtrat wird über eine

frequenzgesteuerte Saugpumpe abgezogen und zur Ein-

leitstelle gepumpt. Eine Anlage dieser Bauart ist seit

Anfang 2004 in Betrieb.

Abwasser-Anlagentechnik GmbH, Gelsenkirchen, damit

beauftragt, eine mobile Abwasserbehandlungsanlage in

einem 20 Zoll-Container zu entwerfen und zu bauen

(Abbildung 2-81). Die Anlage kann das Abwasser von 300

Soldaten bei Umgebungstemperaturen von -32 °C bis

+49 °C so weit reinigen, dass dieses anschließend vor Ort

eingeleitet oder versickert werden kann. Durch die Con-

tainerbauweise ist die Anlage jederzeit weltweit einsetzbar

und mit nahezu jedem Verkehrsmittel zu transportieren

(Abbildung 2-81).

144

Abb. 2-81

Transport der Containeranlage auf einem Einsatzfahrzeug und Schema der Containeranlage [A3 GMBH 2004]

MF2.3.6


Schiffskläranlagen mit Membrantechnik

Die Abwassereinleitung von zivil und militärisch genutz-

ten Schiffen ist durch nationales und internationales

Recht geregelt. Die Regelinstanz für die internationale

Gesetzgebung ist die IMO (International Maritime Orga-

nisation). In Anlage IV des IMO-Regelwerkes (MARPOL

73/78) ist die Einleitung von Schiffsabwasser geregelt. Mit

Ausnahme von Abwässern, die durch eine behördlich zu-

gelassene Anlage behandelt und desinfiziert werden, ist

die Einleitung der definierten Abwässer verboten. Die

Anlage IV ist im September 2003 in Kraft getreten, nach-

dem die dazu notwendigen Bedingungen (Überführung

in nationales Recht durch ausreichend viele Staaten) im

Jahr 2002 erfüllt wurden.

Für Binnenschiffe ist eine Regelung zum Einleiten von

Abwasser mit Artikel 9.01 des Übereinkommens über die

Sammlung, Abgabe und Annahme von Abfällen in der

Rhein- und Binnenschifffahrt der Zentralkommission für

die Rheinschifffahrt (ZKR 2000) vorgesehen. Danach ist

die Einleitung von häuslichem Abwasser für Kabinen-

schiffe mit mehr als 50 Schlafplätzen ab dem 01.01.2005

und für Fahrgastschiffe, die zur Beförderung von mehr als

50 Fahrgästen zugelassen sind, ab dem 01.01.2010 verbo-

ten. Die Vertragsstaaten verpflichten sich daher, bis zu

den genannten Zeitpunkten geeignete Annahmestellen

einzurichten. Das Verbot der Einleitung gilt nicht für

Fahrgastschiffe, die über eine zugelassene Bordkläranlage

verfügen. Das Übereinkommen ist bisher (Stand August

2005) noch nicht in Kraft getreten, da es noch nicht von

jedem Mitgliedsstaat ratifiziert wurde.

Nach bisheriger Praxis werden Grauwasser (Abwasser aus

Duschen, Handwaschbecken und Bodeneinläufen) sowie

Küchenabwässer meist ohne biologische Vorbehandlung

direkt in die Desinfektionszelle der Abwasserreinigungs-

anlage gegeben, für die biologische Reinigung von Schwarz-

wasser (Toilettenabwasser) auf Seeschiffen kommen der-

zeit als Vorstufen vor der Desinfektion Belebungsanlagen

– häufig in Kaskadenausführung – zum Einsatz.

Die Beschickung der konventionellen Reinigungsanlagen

mit Abwasser erfolgt in der Regel schwallweise, abhängig

vom Zeitpunkt des Abwasseranfalls. Das Abwasser fließt

der ersten belüfteten Belebungskammer zu und gelangt

nach einer Reaktionszeit, die sich aus der anlagenspezifi-

schen Hydraulik ergibt, als Schlamm-Wasser-Gemisch in

die zweite Belebungskammer. Hier erfolgt eine erneute

Belüftung, um einen weitergehenden Abbau der organi-

schen Wasserinhaltsstoffe zu gewährleisten. Anschließend

wird das Abwasser dem Nachklärbehälter und danach der

Desinfektionszelle zugeführt.

Die beschriebene installierte Anlagentechnik weist an Bord

von Schiffen einige Schwachpunkte auf, da sie lediglich

aus der kommunalen Abwasserreinigung übernommen

und die spezifischen Rahmenbedingungen auf Schiffen

oftmals außer Acht gelassen wurden. Besondere verfah-

renstechnische Probleme bestehen im Bereich der Nach-

klärung, weil durch die Schiffsbewegungen und die stän-

digen niederfrequenten Vibrationen durch Schiffsmotoren

die Sedimentation erheblich gestört und so Schlamm über

die Nachklärung nach See ausgetragen wird. Hinsichtlich

der Gewässerbelastung ist auch das Entstehen organischer

Halogenverbindungen bei der Entkeimung des Ablauf-

wassers über Chlorbleichlauge kritisch zu werten.

Da umbauter Raum an Bord eines Schiffes extrem teuer

ist, sollten alle einzubauenden Systeme – so auch die

Schiffskläranlagen – möglichst klein ausgeführt werden.

In einigen Vorhaben konnte der Einsatz von Anlagen mit

Mikrofiltrationsmembranen zur Abwasserreinigung bereits

erfolgreich getestet und eingesetzt werden [BRÜß, RICH-

TER 2001]. Ein Beispiel einer solchen Anlage zeigt Abbil-

dung 2-82. Der Vorteil von Kläranlagen mit Membran-

technik besteht darin, die Belebungsstufe mit einem

Trockensubstanzgehalt TSBB von bis zu 20 g/l betreiben zu

können, so dass der Belebungstank im Vergleich zu einer

konventionellen Anlage bis auf ein Viertel des Volumens

reduziert werden kann. Durch Anordnung einer Mikro-

filtrationsanlage im biologischen Reaktor ist keine Nach-

klärzone mehr vorzusehen. Die Abtrennung des Belebt-

schlamms wird durch die Membranen – unabhängig von

den Sedimentationseigenschaften des Schlamm-Wasser-

Gemisches – gewährleistet. Es wird außerdem eine deut-

lich bessere Qualität des gereinigten Abwassers erzielt,

und durch den Keimrückhalt kann die auf Schiffen übli-

che Chlorung zur Desinfektion des Abwassers entfallen.

145

MF2.3.7


Kreuzfahrtschiff Queen Mary 2

Die Queen Mary 2 ist mit einer Länge von 325 m und

einer möglichen Passagierzahl von 2.620 Personen sowie

einer Besatzungsstärke von 1.250 Personen eines der größ-

ten Passagierkreuzfahrtschiffe der Welt (Abbildung 2-84).

Im Laderaum der Queen Mary 2 werden die anfallenden

Grau- und Schwarzwässer in einer Membranbioreaktoran-

lage nach dem Stand der Technik gereinigt. Wesentliche

Entscheidungskriterien für diese Anlage waren die kom-

pakte Bauform, die hohe Reinigungsleistung und die

Möglichkeit, das gereinigte Abwasser wieder zu verwen-

den bzw. einzuleiten. So kann das Schiff auch in

geschützten Gewässern fahren.

Der täglich in der Abwasserbehandlungsanlage zu reini-

gende Abwasserstrom beträgt rund 1.100 m3.

Das Abwasser wird in einem Hydrozyklon und einem

Feinrechen mit einer Spaltweite von 1 mm mechanisch

vorgereinigt und gelangt anschließend in die Belebungs-

stufe, die aus zwei Becken (je 150 m3 Volumen) und einer

extern aufgestellten Ultrafiltrationsanlage besteht

(Abbildung 2-85). Die fest-flüssig Separation erfolgt in der

Ultrafiltrationsanlage, die im Cross-Flow-Verfahren betrie-

ben wird und zwei Module (Pleiade®) der Firma Rhodia

Eine an die schiffsbaulichen und betrieblichen Rahmen-

bedingungen angepasste Abwasserreinigung mit Mem-

brantechnik für Fahrgastbinnenschiffe wird derzeit im

Rahmen von Projekten untersucht, die vom Ministerium

für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Ver-

braucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MUNLV

NRW) gefördert werden. Nach erfolgreichen Untersuchun-

gen mit Testanlagen im Pilotmaßstab (Jahre 2002–2004)

wird im Zeitraum 2005/2006 der Betrieb einer großtech-

nischen Membranbelebungsanlage an Bord des Event-

schiffes RheinEnergie der Köln-Düsseldorfer Deutschen

Rheinschifffahrt AG untersucht.

146

Abb. 2-82

Ansicht einer MEMROD®1) Schiffskläranlage nach

dem Membranbelebungsverfahren für 250 Personen

[VA TECH WABAG 2002]

Abb. 2-83

Ultrafiltrationsmodul Pleiade® zur Abwasserreini-

gung auf der Queen Mary 2 [Foto: ORELIS SA 2004]

1) MEMbrane Reaktor Operation Device

UF2.3.8


mit einer Membranfläche von 700 m2 enthält (Abbildung

2-83). Der Permeatvolumenstrom der Anlage beträgt rund

50 m3/h. Zur weiteren Reduzierung organischer Inhalts-

stoffe und zur Desinfektion sind der Ultrafiltrationsanlage

ein Aktivkohlefilter und eine UV-Anlage nachgeschaltet.

Das so gereinigte Abwasser soll zu etwa 50 % auf dem

Kreuzfahrtschiff als Brauchwasser wieder verwendet

werden.

147

Abb. 2-84

Foto der Queen Mary 2

Zulauf

Hydrozyklon

Membrananlage

Feinfilter1 mm

150 m3 UV-Desinfektion

Schlamm

Aktiv-kohle

150 m3

Belebungsstufe

Rezirkulation (RZ)

Schlamm

Abb. 2-85

Verfahrensschema der Abwasserreinigungsanlage auf der Queen Mary 2 [nach ORELIS SA 2004]


Grau- und Schwarzwasserbehandlung auf Schiffen

Das heute allgemein auf Schiffen zur Anwendung kom-

mende Konzept zur Abwasserbehandlung beinhaltet die

One-Stream-Lösung, bei der Grauwässer (Duschen, Wasch-

becken, Wäscherei), Küchenabwasser und Schwarzwässer

(Toiletten) gemeinsam in Membranbelebungsanlagen be-

handelt werden. Verwendung finden sowohl die in der

kommunalen Abwasserbehandlung eingesetzten getauch-

ten Membranmodule als auch Ultrafiltrationsanlagen mit

extern angeordneten Modulen mit rohwasserseitig offe-

nen Kanälen.

Bei größeren Abwasservolumenströmen, wie z. B. auf

Kreuzfahrtschiffen mit über tausend Passagieren, kann

die Two-Stream-Lösung sinnvoll zum Einsatz kommen.

Bei dieser wird das Grauwasser über eine Ultrafiltration

mit anschließender Niederdruck-Umkehrosmosemembra-

nen gereinigt und das Permeat steht für technische Ein-

satzzwecke zur Verfügung. Das Schwarzwasser, das Kon-

zentrat der Niederdruck-Umkehrosmoseanlage (ND-RO)

sowie das Küchenabwasser fließen zur Behandlung einem

Membranbioreaktor zu. Das Filtrat kann abgeleitet oder

für Einsatzbereiche mit geringeren Qualitätsanforderun-

gen genutzt werden. Die Entwicklung dieser Two-Stream-

Lösung wurde durch Erkenntnisse und Erfahrungen bei

der Aufbereitung von Industrieabwasser mit Membran-

verfahren und des daraus abgeleiteten „Nicht-Mischen“-

Gebots beeinflusst, da es in der Regel einfacher und effi-

zienter ist, Abwasser mit unterschiedlicher Zusammenset-

zung und deutlichen Konzentrationsunterschieden mit

verschiedenen Verfahren aufzubereiten bzw. zu behan-

deln. Abbildung 2-86 zeigt das Verfahrensschema, wie es

in der anlagentechnischen Ausführung bereits auf 25

Schiffen realisiert ist.

Die hier als Beispiel aufgeführte Verfahrenskombination

aus Ultrafiltration bzw. Ultrafiltration und Nieder-

druck-Umkehrosmose der Firma Rochem UF ist in

Abbildung 2-87 dargestellt.

148

Grauwasser

Brauchwasser

Gebläse-station

Ultrafiltration

Schwarzwasser

Umkehrosmose

Gebläse-station

Membranbelebungsanlage

Ableitung bzw.Spülwasser

Abb. 2-86

Verfahrensschema der Abwasserreinigung nach der Two-Stream-Lösung [nach ROCHEM UF 2004]

UF UO2.3.9


149

Abb. 2-87

Membran-Bioreaktor BioFilt mit drei Straßen à 4,5 m3/d Permeat [ROCHEM UF 2004]

Abb. 2-88

Niederdruck-Umkehrosmose für die Grauwasser-Aufbereitung für 600 m3/d Permeat [Foto: RochemRochem UF 2004]

1) Polypropylen 2) Polyacrylnitril 3) Polyvinyldiflourid 4) Polyethersulfon


2.4

Nachgeschaltete Membranstufe zur

Abwasserhygienisierung

2.4.1

Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete

Mit dem Einsatz einer Membranstufe im Ablauf einer

Kläranlage wird vor allem eine Hygienisierung des Ab-

laufs angestrebt, um erhöhte Anforderungen (z. B. EU-

Badegewässerrichtlinie) einzuhalten oder das gereinigte

Abwasser wieder zu verwenden. Die Hygienisierung

durch eine Membranstufe hat dabei Vorteile gegenüber

den gängigen Verfahren wie UV-Behandlung, Ozonung

oder Chlorung, da weder unerwünschte Nebenprodukte

entstehen noch Resistenzbildungen bei Bakterien und

Viren gefördert werden [DORAU 1999].

Das Abwasser aus dem Ablauf der Kläranlage gelangt

meist nach einer Vorsiebung mit einer Trenngrenze von

500 µm in die Membranstufe. Eine weitere Vorbehand-

lung ist nicht notwendig. Wird neben der Entkeimung

auch eine weitergehende Elimination gelöster Phosphat-

verbindungen angestrebt, kann der Trennstufe eine Fäll-

mitteldosierung vorgeschaltet werden [DITTRICH ET AL.

1998], um den Fällschlamm in der nachgeschalteten

Membranstufe zurückhalten zu können.

2.4.2

Eingesetzte Membranmodule

In den bisherigen Untersuchungen (Versuchsanlagen der

Berliner Wasserbetriebe auf dem Klärwerk Berlin-Ruhleben

[DITTRICH ET AL. 1998], Anlage auf der Kläranlage Geisel-

bullach [SCHILLING 2001]) und den Versuchen auf den

Kläranlagen Hailfingen [EISELE 2003] und Merklingen

[MAIER, VOGEL 2003] konnte die Eignung verschiedener

Mikro- und Ultrafiltrationsmodule für die weitgehende

Hygienisierung nachgewiesen werden. Tabelle 2-23 zeigt

beispielhaft die Kenndaten der zum Teil großtechnisch

eingesetzten Module.

2.4.3

Betriebserfahrung

Auf Basis der gemessenen Ablaufqualität an den Versuchs-

anlagen auf dem Klärwerk Berlin-Ruhleben können die

Grenzwerte der EU-Badegewässerrichtlinie [DITTRICH

150

Tab. 2-23

Kenndaten verschiedener Membranmodule für die Filtration von Kläranlagenabläufen der Versuchs-

anlagen der Berliner Wasserbetriebe und der Anlagen auf den Kläranlagen Geiselbullach, Hailfingen

und Merklingen

Hersteller

Membranverfahren

Material

Modultyp

NominaleTrenngrenze

Betriebsart

Betriebsdruck

(transmembran)

Fluss

Rückspülung

Klärwerk

Berlin-Ruhleben

[nach DITTRICH

ET AL. 1998]

MemBrain

Ultrafiltration

Keramik

Multikanal-Rohrmodul

0,05 µm

Dead-End

0,5 – 2,0 bar

ca. 63 l/(m2 · h)

mit Filtrat (filtratseitig)

Klärwerk

Berlin-Ruhleben

[nach DITTRICH

ET AL. 1998]

Memtec

Mikrofiltration

PP1)

Kapillarmodul

0,1 µm

Dead-End

0,5 – 1,5 bar

ca. 70 l/(m2 · h)

mit Druckluft

(filtratseitig)

Kläranlage

Geiselbullach

[nach SCHILLING

2001]

ROCHEM

Ultrafiltration

PAN2)

Kissenmodul

50/200 kD

Dead-End

0,5 – 2,0 bar

ca. 45 l/(m2 · h)


u. Druckluft (feedseitig)

Kläranlage

Bondorf-Hailfingen

ZENON

Ultrafiltration

PVDF3)

Kapillarmodul

0,02 µm

Dead-End

0,05 – 0,3 bar

ca. 40 l/(m2 · h)


u. Druckluft (feedseitig)

Kläranlage

Merklingen

X-flow

Ultrafiltration

PES4)

Kapillarmodul

150 kD

Dead-End

0,5 – 1,5 bar

ca. 60 l/(m2 · h)



ET AL. 1998] eingehalten bzw. z. T. deutlich unterschritten

werden.

Mit den bislang eingesetzten Modulen sind nach ersten

Erfahrungen Flüsse von 35 bis 70 l/(m2· h) anzusetzen

[DITTRICH ET AL. 1998; SCHILLING 2001]. Zur Aufrecht-

erhaltung der Filtrationsleistung muss jedoch bislang ein

erhöhter personeller und monetärer Aufwand für chemi-

sche Reinigungen berücksichtigt werden.

Erste Angaben zu Behandlungskosten wurden anhand

halbtechnischer Untersuchungen der Berliner Wasserbe-

triebe ermittelt. Demnach betrugen 1998 die spezifischen

Nettogesamtkosten für zwei verschiedene Anlagenkonfi-

gurationen zwischen 0,25 Euro/m3 und 0,42 Euro/m3

Filtrat [DITTRICH ET AL. 1998]. Im Vergleich dazu liegen

die Kosten konventioneller Lösungen, z. B. bestehend aus

Sandfiltration und anschließender UV-Bestrahlung, zwi-

schen 0,15 Euro/m3 und 0,31 Euro/m3 [DOHMANN

1997].

Großtechnische Anwendungen in Deutschland zur

Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration

In Deutschland sind derzeit drei Membrananlagen in

Betrieb, die den Ablauf einer konventionellen Kläranlage

weitergehend reinigen (Tabelle 2-24). Auf der Kläranlage

Geiselbullach des Amperverbandes in Bayern wird seit

Juli 2000 eine technische Anlage betrieben, mit welcher

der Ablauf der konventionellen Anlage bis zu Brauchwas-

ser aufbereitet wird, das auf der Kläranlage anstelle des

vorher genutzten Grundwassers eingesetzt werden kann.

Im Jahr 2004 wurden nach Vorversuchen zwei weitere

Membrananlagen zur nachgeschalteten, weitergehenden

Abwasserreinigung auf den Kläranlagen Hailfingen des

Abwasserzweckverbandes Bondorf-Hailfingen und der Klär-

anlage Merklingen der Gemeinde Merklingen in Betrieb

genommen, die im Folgenden beschrieben werden.

151

Tab. 2-24

Membrananlagen zur Abwasserhygienisierung in Deutschland

Betreiber Amperverband Gemeinde Merklingen Abwasserzweckverband

Bondorf-Hailfingen

Bundesland Bayern Baden-Württemberg Baden-Württemberg

Anlage KA Geiselbullach KA Merklingen KA Bondorf-Hailfingen

Anschlussgröße 250.000 E 2.300 E 9.000E

Membranhersteller Rochem X-Flow ZENON

Modultyp Kissenmodul Kapillarmodul Kapillarmodul

Verfahren Ultrafiltration Ultrafiltration Ultrafiltration

Membranfläche 480 m2 420 m2 7.560 m2

UF2.4.4


Kläranlage Geiselbullach

Auf der Kläranlage Geiselbullach wurde bisher Grundwasser

als Brauchwasser eingesetzt. Die Schonung dieser Ressource

und die Schließung des Kreislaufes „Brauchwasser“ mit

der gleichzeitigen Reduzierung der Abwassermenge gaben

den Anlass, das gereinigte Abwasser der Kläranlage Geisel-

bullach aufzubereiten und als Brauchwasser zu nutzen. Des

Weiteren sollte eine Alternative zum Einsatz des eisen- und

manganhaltigen Grundwassers zur Kühlung der BHKWs

mit den ständigen Problemen einer Belagbildung auf den

Wärmetauschern geschaffen werden. Im Vergleich zur

Behandlung mit einer UV-Desinfektion sprach für eine

Membrananlage die sichere, bakteriologisch unbedenkli-

che Qualität des über diese aufbereiteten Brauchwassers.

Das Abwasser wird auf der Kläranlage Geiselbullach me-

chanisch vorbehandelt und anschließend in der Bele-

bungsstufe gereinigt, die aus einer Denitrifikationzone,

einer vermehrten biologische P-Elimination und einer

Nitrifikationszone besteht. Der Nachklärung ist eine Sand-

filtration nachgeschaltet (Abbildung 2-89).

Im Ablaufschacht der Kläranlage fördert eine Tauchmo-

torpumpe das gereinigte Abwasser zur weiteren Aufberei-

tung in die Vorlage der Membrananlage. Zur Vorbehand-

lung sind ein Filter mit einer Trenngrenze von 500 µm

sowie eine Flockungsmitteldosiereinheit mit Eisen-III-

Chloridsulfat vorgeschaltet. Das vorbehandelte Abwasser

wird in die Ultrafiltrationsanlage geführt. Diese be-

steht aus Kissenmodulen der Fa. Rochem, die eine gesamte

Membranfläche von 480 m2 enthalten und in 60 Druck-

rohren untergebracht sind (Abbildung 2-90). Bei der

Filtration werden ca. 18 m3/h Permeat erzeugt, das als

Brauchwasser in einem Behälter (V = 60 m3) zwischenge-

speichert wird (Abbildung 2-90). Die Speicherung stellt

die Deckung der Lastspitzen mit Brauchwasser mit bis zu

120 m3/h über einige Minuten sicher. Der spezifische

Energieverbrauch der Anlage wird mit 0,5 kWh/m3 aufbe-

reitetes Brauchwasser angegeben [SCHILLING 2001].

Die Investition für die Brauchwasseraufbereitungsanlage

betrug 410.000 Euro, die spezifischen Betriebskosten

belaufen sich auf rund 0,65 Euro pro m3 aufbereitetem

Brauchwasser. Die Anlage ist im Juli 2000 in Betrieb

gegangen. Die Inbetriebnahme und Optimierung der

Verfahrenstechnik erstreckte sich bis in das Jahr 2002.

152

Vorklärbecken

anoxisch


Nachklärbecken

Zulauf

Rechen Sandfang

anaerob

Rezirkulation (RZ)

ÜSS

aerobvariabel

Ringlarce-Schnüre

Sandfiltration

Ultra-filtrationBrauchwasser

zur Kühlungdes BHKW

Flockungs-mittel

Vorlage

Vorfluter

Filter

Abb. 2-89

Verfahrensschema der Kläranlage Geiselbullach [nach AMPERVERBAND 2004]

UF2.4.4.1


Kläranlage Merklingen

Die Kläranlage Merklingen liegt in der Schwäbischen

Alb und ist für 2.300 E ausgelegt. An Trockenwettertagen

müssen täglich etwa 300 m3 Abwasser in der Kläranlage

behandelt werden, an Regenwettertagen kann diese

Abwassermenge auf 2.000 m3 steigen.

Das gereinigte Abwasser wird aufgrund der besonderen

geologischen Verhältnisse der Schwäbischen Alb direkt

über einen Versickerungsschacht in den Untergrund ein-

geleitet. Die Einleitungsstelle liegt in der Zone III eines

Wasserschutzgebietes, weshalb eine weitergehende Be-

handlung des Kläranlagenablaufs erforderlich wurde. Seit

Juli 2004 wird ein Teil des gereinigten Abwassers aus dem

Ablauf der Kläranlage mit zwei unterschiedlichen Verfah-

153


Zulauf

Rechen Sandfang

Konzentrat

Membrananlage

Nitrifikationsimultane Denitrifikation

Nachklärbecken Vorlage

Sandfilter

Sandfilter

Aktiv-kohle

Permeat-speicher

Abb. 2-91

Verfahrensschema der Kläranlage Merklingen [nach RP TÜBINGEN 2004]

Abb. 2-90

Aufbereitungsanlage auf der Kläranlage Geiselbullach [Fotos: AMPERVERBAND 2002],

links: Druckrohre der Membrananlage, rechts: Brauchwasserspeicher

UF2.4.4.2


ren (Ultrafiltration und Langsamsandfilter) behandelt,

deren Entnahmeleistung für abfiltrierbare Stoffe, Bakte-

rien etc. in einem wissenschaftlichen Begleitprogramm

verglichen werden

Wie in Abbildung 2-91 dargestellt, gelangt das Abwasser

über einen Rechen mit einem Stababstand von 5 mm

und einen Langsandfang in das Belebungsbecken mit

einem Gesamtvolumen von 366 m3. Die Denitrifikation

erfolgt simultan und die Schlammstabilisierung aerob.

Im Anschluss an die Nachklärung wird ein Teil des Ab-

wassers über einen Langsamsandfilter, der andere über

eine Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 2-92) gereinigt

und die Reinigungsleistungen verglichen. Die Ultrafiltra-

tionsanlage enthält Kapillarmembranen der Firma X-flow

mit einer Trenngrenze von 150 kD, die in 12 Druckrohren

untergebracht sind. Für die Filtration stehen ca. 420 m2

Membranfläche zur Verfügung. Die Membranen werden

im Dead-End-Verfahren von innen nach außen betrieben.

Die kalkulierte maximale spezifische Filtrationsleistung

beträgt 60 l/(m2· h).

Die Investitionen für die Ultrafiltrationsanlage betrugen

ca. 530.000 Euro. Das Land Baden-Württemberg hat die

Maßnahme mit einem Zuschuss von 70 % gefördert.

154

Abb. 2-92

Druckrohre der Ultrafiltrationsanlage auf der Kläranlage Merklingen [RP TÜBINGEN 2004]


Kläranlage Bondorf-Hailfingen

Der Abwasserzweckverband Bondorf-Hailfingen wurde

1971 gegründet und reinigt das Abwasser der Verbandsge-

meinden Bondorf und des Stadtteils Hailfingen der Stadt

Rottenburg am Neckar. Im Jahr 1974 wurde die mecha-

nisch-biologische Kläranlage Hailfingen errichtet und in

den Jahren 1995-1999 für eine gezielte Stickstoffelimina-

tion ausgebaut. Die Kläranlage wird heute bei einer Aus-

baugröße von 9.000 E nach dem Belebungsverfahren mit

vorgeschalteter Denitrifikation, Nitrifikation, Bio-P-Elimi-

nation sowie aerober Schlammstabilisierung betrieben.

Bei Trockenwetter fließen der Kläranlage im Mittel 36 l/s,

bei Regenwetter 67 l/s zu. Das gereinigte Abwasser wird in

Die Kläranlage verfügt über ein Misch- und Ausgleichs-

becken (V = 1.690 m3), eine Rechenanlage (Stababstand

6 mm), einen Fett- und Sandfang, Belebungsbecken

(V = 2.330 m3) und zwei Nachklärbecken mit einem

Gesamtvolumen von 1.190 m3 (Abbildung 2-93).

Die positiven Ergebnisse der Erprobung von drei unter-

schiedlichen Membrananlagen zur weitergehenden Reini-

gung im Juli und August 2003 führten zum Bau einer

großtechnischen Membrananlage, die im Dezember 2004

in Betrieb genommen wurde. Die zweistraßige Membran-

anlage ist mit Membranmodulen der Firma ZENON des

Typs ZW 1000 bestückt, deren Membranen eine mittlere

Porenweite von 0,02 µm aufweisen. Mit der Gesamtmem-

branfläche von ca. 7.560 m2 wird durchschnittlich ein

Permeatvolumenstrom von 3.100 m3/d erzeugt.

Die Investition für die gesamte Anlage einschließlich

Hoch- und Tiefbau betrug rund 1,25 Mio. Euro. Das Land

Baden-Württemberg förderte die Maßnahme mit einem

Zuschuss von ca. 50 %.

den Kochhartgraben eingeleitet. In den Sommermonaten

ist die Wasserführung des Kochhartgrabens äußerst gering

bzw. führt dieser erst unterhalb der Kläranlage Wasser. Im

weiteren Gewässerlauf infiltriert der Kochhartgraben in

den Untergrund. Die Kläranlage liegt in einem Wasser-

schutzgebiet der Zone II a.

Aufgrund dieser besonderen Situation, der geologischen

Verhältnisse und des Grundwasserschutzes stellte die

Genehmigungsbehörde bezüglich des Phosphatgehalts,

der abfiltrierbaren Stoffe und der Hygienisierung erhöhte

Anforderungen an die Einleitung (Tabelle 2-25).

155

Tab. 2-25

Anforderungen an die Ablaufqualität und Betriebswerte der Kläranlage Hailfingen

[ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004]

Parameter Einheit Ablauf Nachklärung Betriebswerte Ablauf Membrananlage Einleitanforderungen

CSB mg/l 30 < 25 60

BSB5 mg/l 4 < 4 15

NH4-N mg/l – – 5

Nges mg/l – – 13

Pges mg/l 1,1 0,3 0,3*

AFS mg/l 15 – 30 n. n. < 5

Hygiene Badegewässerqualität weitgehende Entkeimung

* 24 h-Mischprobe

UF2.4.4.3


156

Rezirkulation(RZ)

Zulauf

Rechen Sandfang

Bio-P Deni-/Nitrifikationsbecken Nachklärbecken

Nachklärbecken


Misch- undAusgleichsbecken

Gebläse-station

Vorfluter

Membrananlage

Überschuss-schlammspeicher

Abb. 2-93

Verfahrensschema der Kläranlage Hailfingen [nach ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004]

Abb. 2-94

Membrananlage auf der Kläranlage Hailfingen im Bau [Fotos: ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN

2004], links: Gebäude mit Membrananlage, rechts: Becken für Membranmodule


Großtechnische Anwendungen außerhalb Deutsch-

lands zur Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration

Bislang liegen in Deutschland nur wenig großtechnische

Erfahrungen zur Membranfiltration des Ablaufs der Nach-

klärung vor. Hingegen sind weltweit einige Anlagen groß-

technisch installiert, z. B. in den USA, Großbritannien

und Australien [N.N. 2001; N.N. 1996; N.N. 1992]. Einige

Anwendungsbeispiele sind im Folgenden aufgeführt.

Aufbereitungsanlage Torreele, Belgien

Um an der belgischen Nordseeküste die Trinkwasserge-

winnung sicherzustellen, muss das Grundwasser vom

Seewasser unbeeinflusst bleiben. Dazu wurde im Jahr

2000 ein Konzept entwickelt, das die Aufbereitung von

gereinigtem Abwasser und die anschließende Versicke-

rung im Dünengebiet beinhaltet. So wird der Grundwas-

serspeicher unter den Dünen angereichert und das Ein-

dringen von Salzwasser verhindert. Nach etwa 40 Tagen

Untergrundpassage ist das versickerte Wasser wieder als

Rohwasser zur Trinkwasseraufbereitung verfügbar.

Zur Aufbereitung und anschließenden Versickerung wird

das gereinigte Abwasser der Kläranlage Wulpen verwen-

det. In der Kläranlage Wulpen wird das Abwasser nach

dem konventionellen Belebungsverfahren mit vorge-

schalteter Denitrifikation gereinigt, wobei die in Tabelle

2-26 zusammengestellten Ablaufwerte erreicht werden.

Das gereinigte Abwasser aus dem Ablauf der Nachklärung

der Kläranlage Wulpen wird anschließend über einen

Kanal der Aufbereitungsanlage zugeführt, die aus einer

mechanischen Vorfiltration, einer fünfstraßigen Ultra-

filtrationsanlage und einer dreistraßigen Umkehr-

osmoseanlage mit nachgeschalteter UV-Desinfektion

besteht (Abbildung 2-95).

Die Anlage der Firma ZENON hat eine Aufbereitungskapa-

zität von 250 bis 400 m3/h. In der Ultrafiltrationsanlage

sind 25 Modulkassetten des Typs ZW 500c installiert, mit

denen täglich bis zu 9.000 m3 Abwasser aufbereitet wer-

den. Ein Teil des gereinigten Abwassers aus der Ultrafil-

tration (ca. 10 %) wird versickert, der andere Teil wird in

der Umkehrosmoseanlage weiter aufbereitet. Die Umkehr-

osmosemembranen sind von der Firma Dow geliefert

worden. Die Konzentrate der Membranstufe werden über

einen Brackwasserkanal ins Meer geleitet, das Permeat

wird zu ca. 90 % versickert.

Die Investition der gesamten Aufbereitungsanlage betrug

etwa 4,5 Mio. EUR. Der Energiebedarf für den Betrieb

liegt bisher bei ca. 0,9 kWh/m3 Permeat [VAN HOUTTE

ET AL. 2004].

157

Tab. 2-26

Abwasserbeschaffenheit im Ablauf der Nachklärung der Kläranlage Wulpen [ZENON GMBH 2004]

Parameter Einheit Mittel Max

CSB mg/l 54 162

Cl mg/l 340 1.140

Schwebstoffe mg/l 5 19

Trübung NTU 2 11

TS mg/l 1.130 1.950

UF2.4.5

UF2.4.5.1


158

Ablauf

Membranstufe

Feinrechen

Feinrechen

Nachklärungder KAWulpen

Speicher Speicher

NaOCl

Gebläse-station

Infiltration

Speicher Umkehrosmose Speicher

UV-Desinfektion

Teich

90 %

10 %

Abb. 2-95

Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage in Torreele [nach ZENON GMBH 2004]


Aufbereitungsanlage Katowice, Polen

In Katowice wird das gereinigte Abwasser aus der Kläran-

lage Katowice zu Brauchwasser aufbereitet und anschlie-

ßend im ca. 12 km entfernten Kraftwerk als zusätzliches

Kühlwasser eingesetzt. Die Aufbereitung des gereinigten

Abwassers aus der Nachklärung der Kläranlage wird mit

einer dreistraßig ausgeführten Ultrafiltrationsanlage

der Firma ZENON erreicht (Abbildung 2-96). Die Tabelle

2-27 zeigt die Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf

der Membrananlage.

Die Ultrafiltrationsanlage besteht aus 18 Modulkassetten

des Typs ZW 500a und bereitet täglich insgesamt ca.

5.600 m3 Abwasser zu Brauchwasser auf, welches als zu-

sätzliches Kühlwasser für den Kühlturm im Kraftwerk

Katowice genutzt wird.

159

Kraftwerk

Zusatz-wasser

Nachklärbecken

Gebläse-station

Gebläse-station

Gebläse-station

Abb. 2-96

Verfahrensschema der Ultrafiltrationsanlage zur Brauchwasseraufbereitung in Katowice

[nach ZENON GMBH 2004]

Tab. 2-27

Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf der Ultrafiltrationsanlage zur Aufbereitung des Ablaufs der

Nachklärung der Kläranlage Katowice zu Brauchwasser [ZENON GMBH 2004]

Parameter Einheit Zulauf Ablauf

CSB mg/l 35 – 51 27 – 34

BSB5 mg/l 2 – 32 < 2,0

Susp. Stoffe mg/l 6 – 32 < 1,0

Trübung NTU 10 – 50 < 0,1

UF2.4.5.2


Aufbereitungsanlage Bedok, Singapur

Die Anlage Bedok NEWater ist die erste von insgesamt

vier geplanten Anlagen, welche Abwasser zur Deckung

des industriellen Wasserbedarfs aufbereiten. Sie bereitet

das gereinigte Abwasser aus dem Ablauf der Nachklärung

einer kommunalen Kläranlage auf. Um die Wasserqualität

für die Wiederverwendung im industriellen Bereich zu ge-

währleisten, wurde die Entscheidung im Dezember 2001

für ein Gesamtverfahrenskonzept aus Ultrafiltration,

Umkehrosmose und UV-Desinfektion (Abbildung 2-97)

getroffen.

Abbildung 2-98 zeigt die Aufbereitungsanlage mit den

Gebäuden für die Ultrafiltrations- und Umkehrosmose-

anlage.

Das gereinigte Abwasser aus dem Ablauf der kommuna-

len Kläranlage wird über ein 0,5-mm-Feinsieb in die fünf-

straßige Ultrafiltrationsanlage geführt. Um eine Verkei-

mung in der Ultrafiltrationsanlage zu vermeiden, wird

Chlor zudosiert. Die Ultrafiltrationsanlage ist mit 70

Kapillarmembranmodulen des Typs ZW 500c bestückt

und hat nach dem ersten erfolgten Ausbau eine Kapazität

von 42.500 m3/d. Zwei Erweiterungen sind bereits in der

Planung, so dass die Gesamtkapazität nach Fertigstellung

117.000 m3/d betragen wird.

Das Filtrat wird mit einem geringen Unterdruck von

0,05 bis 0,4 bar durch eine Pumpe abgezogen und an-

schließend zur Entsalzung in eine Umkehrosmoseanlage

geleitet. Das Permeat der Umkehrosmoseanlage wird als

Sicherheitsmaßnahme abschließend einer UV-Desinfek-

tion unterzogen, das Konzentrat wird zurück zur Kläran-

lage geleitet.

Das nach dem Multi-Barrierensystem erzeugte Wasser

wird „NEWater“ genannt. Es wird als Brauchwasser für

die elektrotechnische Industrie, zur Halbleiterproduktion

und auch als Kühlwasser von Wirtschaftsgebäuden einge-

setzt. Ein geringer Prozentsatz des NEWater wird auch als

Rohwasser zur Trinkwasseraufbereitung genutzt.

160

AblaufKläranlage

UV-Desinfektion

Feinsieb0,5 mm

Ultrafiltrationsanlage

Gebläse-station

Chlor

Gebläse-station

Gebläse-station

Gebläse-station

Gebläse-station

Umkehrosmose-anlage

Zur Industrie

Abb. 2-97

Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage Bedok [nach ZENON GMBH 2004]

UF2.4.5.3


161

2.5

Bemessungsbeispiel Membranbelebungsanlage (MBR)

2.5.1

Bemessungsgrundlagen

Grundlage für die nachfolgende Berechnung ist der Hochschulgruppen-

ansatz (HSG).

Bemessungsgrundlagen:

Anlage mit simultan aerober Schlammstabilisierung

Einwohnerwerte = 100.000 E

spez. Schmutzwasseranfall ws = 130 l/(E·d)

Tageszufluss Q d = 19.500 m3/d

Fremdwasserzufluss Q f = 6.500 m3/d

Mischwasserzufluss Q m = 2.128 m3/h

Spitzenabflussfaktor Schmutzwasser xs = 14

Vorreinigung = keine

Schwankungsfaktor = 1,70

Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken TSBB = 12 g/l

alpha-Wert � = 0,6

Rücklösefaktor (Anteil TKN am ÜS) rX = 0

Schlammalter tTS = 25 d

Temperatur im Belebungsbecken T = 10 °C

simultane Phosphatfällung mit Fe(III)Cl

Die Bemessung von Nachklärbecken entfällt für Membranbelebungs-

anlagen.

Abb. 2-98

Gesamtansicht der Aufbereitungsanlage Bedok

[Foto: ZENON GMBH 2004]

Abb. 2-99

Ultrafiltrationsanlage der Aufberei-

tungsanlage Bedok [Foto: ZENON

GMBH 2004]


Folgende Überwachungswerte sind für eine Kläranlage

der Größenklasse 5 (≥ 100.000 E) einzuhalten:

Nanorg = 13 mg/l

NH4-N = 10 mg/l

Pges = 1 mg/l

Norg = 2 mg/l

Ein Ausdruck der Berechnungsergebnisse der Belebungs-

stufe mit dem Bemessungsprogramm ARA-BER ist als

Kapitel 2.5.4 eingefügt. Darüber hinaus werden Zwischen-

ergebnisse zur Erläuterung des Bemessungsablaufs ange-

geben (siehe Tabelle 2-29).

2.5.2

Interpretation der ARA-BER-Berechnung gemäß

den Bemessungsempfehlungen für MBR

Grundlage für die Bemessung von Membranbelebungsan-

lagen bilden die für eine konventionelle Kläranlage ent-

weder nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 131 oder dem

Hochschulgruppenansatz ermittelten Beckenvolumina,

wobei bereits ein für Membranbelebungsanlagen typi-

scher TS-Gehalt angesetzt wird. Die für die Beispielanlage

ermittelten Daten sind in Tabelle 2-28 aufgelistet.

Aufgrund des geringeren Reaktorvolumens bei Membran-

belebungsanlagen können unerwünschte Effekte auftre-

ten, wie z. B. eine vermehrte Sauerstoffverschleppung aus

dem Nitrifikations- oder Filtrationsbereich in die Denitri-

fikationszone. Um die Auswirkungen dieser unerwünsch-

ten Effekte zu verringern, sollte die Größe des Denitrifika-

tionsbereichs (VDeni, MBR) in etwa der Größe des Nitrifika-

tionsbereichs entsprechen (VDeni, MBR/VNitri, MBR = 1). Hierbei

ist das größere der Volumina der konventionellen Bemes-

sung (VDeni, konv, 12 g TS/l bzw. VNitri, konv, 12 g TS/l) dem entsprechen-

den Volumen der Mebranbelebungsanlage gleichzusetzen,

da ein im Vergleich zu einer konventionellen Auslegung

geringeres Nitrifikations- bzw. Denitrifikationsvolumen

der Membrananlage (VDeni, MBR bzw. VNitri, MBR) auszuschlie-

ßen ist. Um besonderen Betriebszuständen Rechnung zu

tragen (z. B. Stoßbelastungen bei einsetzendem Misch-

wasserzufluss) ist ein Variobereich (Vvario) in der Größe

von 30 – 50 % des Denitrifikationsvolumens einzuplanen,

der den betrieblichen Erfordernissen entsprechend im

Belebungsbecken angeordnet werden kann.

Weiterhin ist eine minimale Durchflusszeit thydraulisch ≥ 6 h

(bei erhöhten Anforderungen thydraulisch ≥ 8 h) unter be-

stimmten Randbedingungen einzuhalten. Eine Unter-

schreitung der empfohlenen Durchflusszeit ist möglich,

wenn das zur Einhaltung der empfohlenen Durchflusszeit

erforderliche Volumen größer ist als das Belebungsbecken-

volumen der Membrananlage, das bei einer konventio-

nellen Auslegung (mit TSBB = 12 g/l) ermittelt und zusätz-

lich um 50 % vergrößert wurde.

162

VDeni, MBR : VNitri, MBR = 1

VMBR, ges < 1,5 � VBB, konv, 12 g TS/l

thydraulisch > 6 h

8.770 m3 > 5.520 m3

=> 2 � 8.770 m3 = 17.540 m3

Hier Annahme: xQmax = xS

=> xQmax = 14 h/d

=> Qkritischer Lastfall = Qd/xQmax

VBB, MBR = 17.540 m3

VNitri, MBR = 8.770 m3

VDeni, MBR = 8.770 m3

VBB, MBR = 21.435 m3

VBB, MBR = 8.357 m3

Tab. 2-29

Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Berücksichtigung unterschiedlicher Forderungen zur

Auslegung von Membrananlagen

Forderungen für MBR Zwischenergebnis MBR

Tab. 2-28

Bemessungsergebnisse nach HSG-Ansatz für eine

konventionelle Kläranlage mit TSBB = 12 g/l

VBB, konv, 12 g TS/l = 14.290 m3

VNitri, konv, 12 g TS/l = 8.770 m3

VDeni, konv, 12 g TS/l = 5.520 m3

VDeni, konv, 12 g TS/l / VBB, konv, 12 g TS/l = 0,386 –


Nach Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Be-

rücksichtigung der verschiedenen Bemessungskriterien

für Membrananlagen erfolgt der Vergleich der Zwischen-

ergebnisse, um das maßgebende Volumen zu bestimmen.

Wie aus der Tabelle deutlich wird, ergibt sich in diesem

Beispiel unter Berücksichtigung des maximalen Volumen-

zuschlags von 50 % auf das Belebungsbeckenvolumen der

konventionellen Bemessung (VBB, konv, 12 g TS/l) ein größeres

Volumen als das für die Einhaltung der Mindestdurch-

flusszeit erforderliche Volumen. Aus diesem Grund ist das

Kriterium VMBR, ges < 1,5* VBB, konv, 12 g TS/l in diesem Fall nicht

maßgebend. Nun ist zu prüfen, ob ausreichend Nitrifika-

tions- bzw. Denitrifikationsvolumen vorhanden ist. Da

im Beispiel infolge des Kriteriums der minimalen Durch-

flusszeit ein wesentlich geringeres Volumen erforderlich

ist als dies zur Einhaltung des Kriteriums VDeni, MBR/VNitri, MBR

= 1 der Fall ist, kann das Kriterium der Mindestdurch-

flusszeit ebenfalls nicht maßgebend für die Auslegung der

Membrananlage sein. Die für das Beispiel maßgebenden

Volumina sind in der folgenden Tabelle aufgelistet.

VBB, MBR = 17.540 m3

davon VNitri, MBR = 8.770 m3

VDeni, MBR = 8.770 m3

sowie darin enthalten:

Vvario, 30% = 2.631 m3

bzw. Vvario, 50% = 4.385 m3

Ausgleichsvolumen kann in diesem Fall nicht angeordnet

werden, da das gesamte Volumen für die ablaufenden

biochemischen Prozesse benötigt wird. Insgesamt ergibt

sich eine Durchflusszeit bei einem kritischen Bemessungs-

zufluss von Q kritischer Lastfall = Q d/xQmax = 1393 m3/h von 12,6 h.

2.5.3

Bemessung der Membranfiltrationsstufe

Die Oberflächen von Membranfiltrationsstufen werden

hinsichtlich des Permeatflusses ausgelegt.

Die derzeit auf dem Markt zur Verfügung stehenden

Membranmodule weisen einen Bemessungsfluss (Netto-

fluss) für die Membranfläche von 25 l/(m2· h) bei 8 °C auf.

Der Bemessungsfluss darf bei einer Bemessungstempera-

tur von 10 °C um 15 % höher gewählt werden (" Bemes-

sungsfluss = 28,75 l/(m2· h)).

Erforderliche Membranfläche für Beispielanlage:

Notwendige Angaben:

maßgebender max. Durchfluss Q m = 2.128 m3/h (im

Gegensatz zur Auslegung des Reaktorvolumens ist bei

kommunalen Membranbelebungsanlagen für die Ermitt-

lung der erforderlichen Membranfläche immer der Misch-

wasserzufluss maßgebend!)

Bemessungsfluss von 28,75 l/(m2·h)

Zusätzlich muss 1 % der eingebauten Membranfläche für

Reinigungsmaßnahmen vorgehalten werden (ca. 200

Arbeitstage/Jahr wird 1 % der Fläche gereinigt, d. h. die

gesamte Membranfläche wird zweimal pro Jahr gereinigt).

Damit ergibt sich eine erforderliche Membranfläche von

74.758 m2.

163


2.5.4

Ergebnisausdruck der Bemessung mit ARA-BER:

Kläranlage: Membrananlage 100.000 E

Anlagentyp: simultane aerobe Schlammstabilisierung

Gesamtes Volumen: 17.530 [m3]

Volumen Nitrifikation: 8.765 [m3]

Volumen Denitrifikation: 8.765 [m3]

VDeni/Vges: 0,500 [-]

Bemessungstemperatur: 10,0 [°C]

mittlere TS-Konzentration: 12,00 [kg/m3]

aerobes Schlammalter: 15,35 [d]

Schlammalter gesamt: 25,00 [d]

Ablaufwerte :

NH4-N in der Spitze (Bemessungswert) 10,0 [mg/l]

NH4-N im Mittel (Bemessungswert) 2,0 [mg/l]

NO3-N im Mittel (Bemessungswert) 6,6 [mg/l]

Trockenwetterzufluss Q t 1.199 [m3/h]

Mischwasserzufluss Q m 2.128 [m3/h]

Tageszufluss Q d 19.500 [m3/d]

Rückbelastungen:

BSB5 0,0 [kg/d]

TKN 0,0 [kg/d]

Pges 0,0 [kg/d]

Anteil TKN am ÜS = rX 0,00 [-]

TKN Rückbelastung aus rX 0,0 [kg/d]

Fällung mit: Eisen(III)-Salz

Fällmitteldosis 17,42 [g/m3]

Erreichbarer Ablaufwert P 1,00 [mg/l]

164

Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung

3

Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung3

3.1

Kurzüberblick

Der Ursprung der Membranverfahren in der Industrie

liegt im Bereich der Produktion, wobei der Großteil bisheri-

ger Anwendungen die Getränkeindustrie, die Pharmazeutik

und die Reinstwasserherstellung [BROCKMANN 1998]

betrifft. Aufgrund steigender Kosten für Brauchwasser

und für die Abwasserentsorgung sowie des gestiegenen

Umweltbewusstseins in den Unternehmen werden Mem-

branverfahren immer häufiger auch zur Reinigung indus-

trieller Abwässer eingesetzt.

Das Abwasser in Industriebereichen fällt oft diskontinuier-

lich an und ist von einer stark schwankenden Zusam-

mensetzung gekennzeichnet. Eine Mitbehandlung hoch

belasteter Industrieabwässer in kommunalen Kläranlagen

bereitet gerade dort, wo die Reinigungsleistung der kom-

munalen Kläranlage begrenzt ist, Schwierigkeiten bzw.

überfordert die Biozönose in der Abwasserreinigungsan-

lage. Eine getrennte Reinigung bzw. Vorreinigung von

Industrieabwasser ist dann erforderlich. Hierbei können

Membranverfahren als prozess- und produktionsintegrierte

Maßnahme einen entscheidenden Beitrag leisten.

Das folgende Kapitel 3 behandelt den Einsatz der Mem-

brantechnik in der industriellen Abwasserreinigung. Fra-

gen zu Beweggründen, Zielen und Entscheidungskriterien

für den Einsatz der Membrantechnik werden erörtert,

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchgeführt und erfolg-

reich ausgeführte Beispiele aus der Praxis kurz beschrieben.

Die Abbildung 3-1 auf der folgenden Seite weist dem Leser

den Weg durch das Kapitel. Darin sind die wichtigsten

Schritte vom Anlass über die Planung bis zum Betrieb

einer Membrananlage dargestellt. Anhand der Verweise

auf Seitenzahlen und Kurzchecklisten wird dem Leser

ermöglicht, sich gemäß seinem Interesse auf einzelne

Abschnitte des Kapitels zu konzentrieren und dadurch

Einblick in die Planungsgrundlagen zu bekommen.

Da für den erfolgreichen Betrieb einer Membrananlage

immer eine ausführliche Pilotierung und Planung unter

Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen durch

Fachleute erforderlich ist, sind im Anhang Ansprechpartner

für konkrete Planungsabsichten genannt.

166

Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3

167

Abb. 3-1

Anlass – Planung – Betrieb einer Membrananlage

Übersicht der Inhalte im Kapitel „Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung“

Vorgehen

Anlass

Zielsetzung

S. 286

S. 168 ff.

Beispiele

Kosten senken

Anforderungen einhalten

Information

AnalyseIST-Zustand

S. 286Eingehende Stoffströme

Ausgehende Stoffströme

Verfahrensauswahl

S. 286 f.Separationsverfahren

Membrantechnik

...

S. 172 ff.

S. 277 f.

Wirtschaftlichkeitsanalyse

VerfahrensvergleichK/N-VerhältnisFördermöglichkeiten

Planung und Pilotierung

S. 172

Vorversuche

Laborversuche

Membranauswahl

...S. 172 S. 268 ff.

S. 287BeraterUnternehmerAnlagenbauerReinigungsmittelherstellerMembranhersteller

Betrieb und Kontrolle

S. 287Betreibermodell

Eigenbetrieb

S. 278

Praxisbeispiele

Internet-Portalwww.pius-info.de

S. 175 ff.

S. 276 ff.

Effizienz-AgenturNRW PIUS®-Check

Unabhängige Berater

S. 170 ff.

S. 170 ff.

S. 175


168

Abwasservermeidung

• Schließen von Kreislaufströmen• Recycling von Prozesswässern

aus Abwässern

Optimierung derReinigungsprozesse

• Einsatz von Verfahren zur Ein-haltung von Ablaufgrenzwerten

• Verbesserung der Ablaufwerte

Reduzierung des Platz- oderRaumbedarfs für dieAbwasserreinigung

• Sicherung von Standorten

Gewinnung eines Wertstoffs

• Gewinnung zur Wiederverwen-dung im Produktionsprozess

• Gewinnung als Sekundärrohstoffzur Weiterverarbeitung

• Gewinnung zur Vermarktung

Minimierrung derEntsorgungskosten

• Minimierung durch Produktionvon reinen Stoffen (z. B. unver-schmutztem Wasser oderLösungsmitteln)

• Minimierung durch Aufkonzen-tration der Verschmutzungen

Wiedereinsatz von Biomasse

• Wiedereinsatz durch Abtrennung in der Produktion bei biotechni-schen Prozessen

• Wiedereinsatz bei der biologischenAbwasserbehandlung durch Rück-führung in den Belebungsreaktor

Ziele

wirtschaftliche Interessen

Abb. 3-2

Ziele und wirtschaftliche Interessen beim Einsatz einer Membrananlage in der Industrieabwasserreinigung

3.2

Ziele und Anwendungen in verschiedenen

Industriezweigen

Membranverfahren können im Industriebereich sowohl

als nachgeschaltete wie auch als prozess- und produktions-

integrierte Maßnahme eingesetzt werden. Die Anwen-

dung dieser Technik zur Industrieabwasserreinigung hat

neben der Einhaltung von gesetzlichen Anforde-

rungen (zur Einleitung in öffentliche Kanalnetze oder in

Gewässer) auch wirtschaftliche Gründe (Abbildung 3-2).

Die Ziele, welche mit der Anwendung der Membrantech-

nik erreicht werden sollen, ergeben sich aus den Vortei-

len dieser Technik, wie:

• Trennung von Wertstoffen, Hilfsstoffen, Nebenproduk-

ten und Lösungsmitteln unmittelbar an der Entstehungs-

quelle

• Mögliche Kreislaufführung von Teilströmen

• Vermeidung großer belasteter Abwasserströme

• Wiedereinsatz der Konzentrate als Rohstoff oder

Sekundärrohstoff bzw. kostengünstige Entsorgung


169

Nahrungsmittel

Gerbereien

Papierindustrie

Faserindustrie

(z. B. Vulkanfiber)

Textilindustrie

Kunststoffindustrie

Wäscherei

Metallindustrie, Galvanik

Druckerei, Lackiererei

Fahrzeugproduktion

Petrochemie

Kraftwerke

Bergbau

Schifffahrt

Verschiedene, z. B. Gerberei, Brauerei,

Papier- und Textilindustrie

• Aufbereitung von Abwasser zur Nutzung als Prozesswasser

• Erhöhte Eiweißausbeute (Kartoffelstärkeproduktion)

• Abtrennung gefällter Schwermetalle aus dem Abwasser und Wiedereinsatz als Recyclingwasser

• Einhaltung von Ablaufanforderungen


• Wertstoffrückgewinnung (ZnCl2)

• Prozesswasseraufbereitung

• Rückgewinnung von Schlichten und Indigofarbstoffen

• Abtrennung von Farbpigmenten


• Abtrennung von Weichmachern und Wiederverwendung des gereinigten Abwassers als Prozesswasser

• Reinigung des Abwassers und Wiedereinsatz als Brauchwasser

• Öl-Emulsionstrennung [DRIESEN ET AL. 1998] und Recycling

• Rückgewinnung von Beizen

• Spülwasseraufbereitung

• Rückgewinnung von Farbpigmenten

• Abtrennung und Aufkonzentrierung von Mischpigmenten zur Reduzierung der Entsorgungskosten

• Prozesswasseraufbereitung

• Rückgewinnung von Farbpigmenten

• Reinigung von Reaktions- und Waschwasser [THEILEN 2000]

• Kesselspeisewasseraufbereitung [THEILEN 2000]

• Aufbereitung von Minenwasser und radioaktivem Oberflächenwasser [THEILEN 2000]

• Öl-Emulsionstrennung

• Biologische Abwasserreinigung unter Einsatz von Ultra- und Mikrofiltrationsverfahren zur

Biomassenabtrennung (Membranbelebungsverfahren)

Tab. 3-1

Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieabwasserreinigung

Industriezweig Beispiele für Einsatzziele

Diese Eigenschaften können unmittelbar zu Kosten-

einsparungen führen, z. B. durch

• Verringerung der Fracht im Abwasser und damit mög-

liche Senkung der Abwassergebühren für Indirektein-

leiter bzw. der Abwasserabgabe für Direkteinleiter,

• Wasser- und Wertstoffeinsparungen, wenn z. B. eine

Kreislaufführung bzw. Rückgewinnung von Brauch-

wasser realisiert wird.

Durch die Möglichkeit der Einsparung oder Rückgewin-

nung von Wertstoffen kann in der industriellen Abwasser-

reinigung fallweise auch die Aufbereitung kleiner, spezi-

fischer Volumenströme wirtschaftlich sein. Verschiedene

Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieab-

wasserreinigung sind in Tabelle 3-1 zusammengestellt.


3.3

Entscheidungskriterien

Ständig steigende Kosten für das Trink- und Brauchwasser

sowie für die Abwasserentsorgung in Verbindung mit dem

gestiegenen Umweltbewusstsein führen in Industrieunter-

nehmen immer häufiger dazu, dass innerbetriebliche

Maßnahmen zur Verringerung der Belastung und des

Anfalls industrieller Abwässer umgesetzt werden.

Diese innerbetrieblichen Maßnahmen können durch den

Einsatz verschiedener Verfahren und Verfahrenskombina-

tionen realisiert werden. Die Auswahl eines technisch und

wirtschaftlich geeigneten Verfahrens erfordert

• eine strukturierte Analyse der vorhandenen Gegeben-

heiten und

• eine klare Definition des Ziels.

Abbildung 3-3 zeigt Wege und Kriterien der Entscheidungs-

findung zur Auswahl eines geeigneten Verfahrens. Da

hier die Membrantechnik in der Industrieabwasserbe-

handlung im Vordergrund steht, sind im Entscheidungs-

baum die zwei Auswahlmöglichkeiten – Membrantechnik

oder alternative Verfahren – vorhanden, von denen nur

der Pfad Membrantechnik detaillierter betrachtet wird.

Die Voraussetzung für die Auswahl eines erfolgreichen

und wirtschaftlichen Membranverfahrens ist stets eine

umfassende Analyse der Produktionsprozesse und

der dabei benötigten und anfallenden Wässer. Erweist

sich nach erster Einschätzung bzw. Bewertung der Rah-

menbedingungen der Einsatz der Membrantechnik für

ein Unternehmen als technisch möglich, kann eine ent-

sprechende Anlage geplant werden. Die Planung ist

stufenweise vorzunehmen, damit die abschließende

Lösung möglichst günstig auf das Trennproblem abge-

stimmt ist. Die Planungsstufen zur Realisierung einer groß-

technischen Anlage sind im Fließschema (Abbildung 3-3)

dargestellt.

170

Jede Planungsphase beinhaltet weitere detaillierte Ent-

scheidungskriterien, die im Einzelnen geprüft und vom

Betreiber der Anlage mit den Membranherstellern und

Anlagenbauern abgestimmt werden sollten. In der Regel

ist neben vorhandenen Erkenntnissen über das zu be-

handelnde Abwasser die Durchführung von Versuchen

auf verschiedenen Maßstabsebenen unerlässlich. Tabelle

3-2 führt auf, welche Arbeitsschritte auf den einzelnen

Maßstabsebenen durchgeführt werden können, denn

eine sorgfältige Planung ist für den erfolgreichen Betrieb

jeder Membrananlage entscheidend.


171

Identifikation des/der zu behandelnden Stroms/Ströme

Vermeidung oderMinimierung möglich?

Maßnahmendurchführen

Aufgabenstellung/Zielsetzung

Ja

AbtrennungWertstoff

TrennungStoffgemisch

GewinnungProzesswasser

AbtrennungBiomasse

…

Nein

Qualitätsanforderungen

Möglichkeiten des Wiedereinsatzes

RohwasserBeschaffenheit (physikalisch und chemisch)

enthaltene Wert- und StörstoffeAnfallmege

Hydraulische Leistungsfähigkeit

Rahmenbedingungen

Konzept Behandlungsstrategie

Membrantechnik möglich? AlternativeVerfahrenNein

JaBedingt

Vorbehandlung/Kombinationmit anderen Verfahren

Entwurf Verfahrensfließbild

EingrenzungMembranmaterialien

Abschätzung Leistungs-fähigkeit der Membran

Verfahrenvoraussichtlich wirtschaftlich?

Nein

Ja

EnergiekostenMembranersatzReinigungsmittel

Anzahl der ReinigungenPersonal-/Service

Membranauswahl (Membranwerkstoff, Membrangeometrie)

Versuche positiv?

Ja

Vorversuche (Labor)

Nein

Modulauswahl

PilotversucheTechnische OptimierungModulform

Vorbehandlunghydraulische Bedingungen

Wirtschaftliche OptimierungBetriebskosten

Gesamtwirtschaftlichkeit

technisch optimiert?

wirtschaftlich optimiert?

Nein Nein

JaJa

Großtechnische Anlage

Betriebsbegleitende Kontrolle

NutzenWertstoffrückgewinnung

EinsparungenEntsorgungskosten

Einsparungen Wasser-/Abwasserkosten

KostenInvestitionen

Betriebskosten

Filtratleistung

Rückhalteraten

Wirtschaftlichkeit

Reinigungs- u. Spülintervalle

DruckverhältnisseDeckschichtbildung

Abb. 3-3

Vorgehensweise bei der Planung einer Anlage zur Industrieabwasserreinigung


3.4

Wirtschaftlichkeit von Membrananlagen

in der industriellen Abwasserreinigung

Ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Wahl eines

Verfahrens zur Abwasserreinigung ist seine Wirtschaft-

lichkeit. Deren Beurteilung kann z. B. über eine Kosten-

Nutzen-Analyse erfolgen und setzt die Kenntnis bzw.

Abschätzung der Kosten und des entstehenden Nutzens

voraus.

Wie die Beispiele in den Kapiteln 3.5 und 3.6 zeigen, wird

die Membrantechnik (Membranverfahren und Membran-

belebungsverfahren) in den verschiedensten Industrie-

bereichen zur Reinigung von Abwasser eingesetzt. In den

Praxisbeispielen sind Angaben über die Investitionen und

die Betriebskosten bzw. die sich daraus ergebende Amorti-

sationszeit enthalten, sofern diese öffentlich zugänglich

sind. Diese Angaben sind nur für den speziellen Einzelfall

gültig. Eine Übertragung auf andere Anlagen des gleichen

Industriezweigs ist in der Regel nicht möglich, da die

jeweils vorliegenden Rahmenbedingungen (z. B. Produk-

tionsverfahren und -techniken) die Kosten entscheidend

beeinflussen.

Die folgenden wichtigen Einflussfaktoren auf die Kosten

und die Wirtschaftlichkeit (Abbildung 3-4) einer Mem-

brananlage führen dazu, dass in diesem Kapitel lediglich

qualitative Aussagen zu den Kosten gemacht werden:

Einsatzzweck bzw. Aufgabenstellung und verfolgte

Ziele

• Membrananlagen werden nach der Aufgabenstellung

bzw. Zielsetzung ausgelegt und bemessen. In vielen Fäl-

len ist eine Reinigung über dieses Ziel hinaus sicherlich

möglich, dies ist aber oft mit einem zusätzlichen

Kostenaufwand verbunden.

172

Labortechnik

Pilotierung

Anlagenplanung

Großtechnik

• Vollanalyse des zu behandelnden Mediums

• Membranauswahl in einer Testzellenanlage

• Näherungsweise Bestimmung der wichtigsten verfahrenstechnischen Größen

wie Transmembrandruck und Überströmgeschwindigkeit

• Erste Versuche zur Membranreinigung

Betrieb einer Pilotanlage:

• Auswahl und Test der Module, Modulverschaltung

• Verfahrensoptimierung

Unter Betriebsbedingungen vor Ort:

• Reinigungsintervalle mit Chemikalienbedarf

• Energiebedarf

• Produktqualität im Dauerbetrieb

• Versuchsdatenauswertung

• Anlagenentwurf

• Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

• Kontrolle und Optimierung

– der Betriebsparameter

– des Energiebedarfs

• Ermittlung der Gesamtwirtschaftlichkeit (Kosten-Nutzen-Verhältnis)

Tab. 3-2

Ablauf für die Planung einer Membrananlage [nach THEILEN 2000; PETERS 2001]

Maßstab Arbeitsschritte


Rahmenbedingungen

• Die Charakteristik des Abwassers entscheidet maßgeb-

lich über die Investitionen und die Betriebskosten einer

Membrananlage. Selbst für Abwasser eines einzelnen

Industriezweigs liegen die Kosten für dessen Reinigung

nicht zwingend in der gleichen Größenordnung. Eine

Angabe von Zahlen ist nicht sinnvoll, da dies u. U. zu

einer falschen Einschätzung der Wirtschaftlichkeit

einer Membrananlage führt.

• Das Kosten-Nutzen-Verhältnis einer Membrananlage

kann sich aufgrund vieler Rahmenbedingungen entwe-

der positiv oder negativ darstellen. Zu diesen Rahmen-

bedingungen gehören z. B. die Wasser- und Abwasser-

preise, die Ausbaugröße, die Entsorgungsmöglichkeiten

und -kosten für Abfälle usw. Weitere Beispiele für kos-

tenbeeinflussende Rahmenbedingungen sind in der

Abbildung 3-4 genannt.

Planung und Pilotierung und die Wahl des

Membranverfahrens

• Da das Abwasser jedes Betriebs spezifisch ist, muss in

jedem Fall eine detaillierte Pilotierungs- und Planungs-

phase erfolgen, um die Einsatzmöglichkeit zu prüfen

und die Kosten abzuschätzen. Zu den Kosten für eine

Membrananlage gehört auch der Aufwand für die Pilo-

tierung, welcher sehr unterschiedlich ausfallen kann.

173

Investitionen

• Membranmaterial• Membranfläche• Modulform• Peripherie

Betriebskosten

• Betriebsweise• Jahresbetriebszeit• Energiebedarf• Reinigung• Reinigungsmittel• Reinigungsintervall• Membranersatz• Entsorgungskosten• Personal, Wartung• Versicherungen• Gebäudekosten

Nutzen

• Standortsicherung• Einhalten von Grenzwerten• Minimierung von Abwassergebühren• Minimierung von Entsorgungskosten• Kreislaufführung• Rückgewinnung von Wertstoffen

Aufgabenstellung/Ziele

Rahmenbedingungen

...Frischwasser-preise

Abwasser-gebühren

EnergiekostenhydraulischeLeistungs-fähigkeit

AnfallmengeQualitäts-anforderung

Standort

Planung und Pilotierung

Membranbelebungsverfahren Membranverfahren

Abb. 3-4

Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Membrananlage


Eine detaillierte Planung und Pilotierung trägt dazu bei,

eine unwirtschaftliche Anlagenauslegung zu vermei-

den, mögliche Betriebsschwierigkeiten zu erkennen

und diesen durch die Anlagengestaltung und Betriebs-

führung im Vorfeld entgegenzuwirken.

• Die Art des Membranverfahrens – Membranbelebungs-

verfahren oder Membranverfahren – wirkt sich auf die

Investitionen und Betriebskosten aus. Das Membran-

belebungsverfahren wird bereits seit 1997 für konzen-

trierte Abwässer, wie z. B. einige Industrieabwässer, als

wirtschaftliche Alternative bewertet [ROSENWINKEL

ET AL. 1997], während dies für die kommunale Abwas-

serreinigung bislang noch nicht uneingeschränkt gilt.

Bei jeder Anlage ist zwischen Investitionen und Betriebs-

kosten zu unterscheiden, die jeweils in weitere Einzelfak-

toren aufgeschlüsselt werden können.

Die Höhe der Investitionen hängt insbesondere bei

großen Anlagen u. a. vom Membranmaterial bzw. den

Modulkosten und der installierten Membranfläche ab.

Membranmaterial, Membranfläche und Modulform wer-

den nach Abwägung einer Reihe von Kriterien für den

Einzelfall gewählt. STROH ET AL. [1997] vergleichen für

zwei Anwendungen – Fruchtsaft-Klärfiltration und

Öl/Wasser-Emulsionsfiltration – die Höhe der Investitio-

nen und Betriebskosten, wenn Polymer- oder Keramik-

membranen zum Einsatz kommen. Es zeigt sich, dass die

Investitionen und der elektrische Leistungsbedarf für die

Membranen aus Keramik höher ausfallen, gleichzeitig

aber die Membranwechselkosten aufgrund der längeren

Standzeit geringer sind. Bezogen auf den Kubikmeter Fil-

trat ist im einen Anwendungsfall der Einsatz von Kera-

mikmembranen günstiger, im anderen der von Polymer-

membranen. Die Autoren betonen daher, dass ohne

genauen Bezug auf eine Anwendung lediglich eine allge-

meine Bewertung möglich ist und sich bei einzelnen

Anwendungsfällen die Kostenvorteile verschieben kön-

nen. Durch die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der

Membrantechnik (Membranen, Module, Energiebedarf

usw.) werden sich auch die Kostenverhältnisse für ver-

schiedene Materialien und Module verändern. Aufgrund

der Produkt- und Marktentwicklung ist im Allgemeinen

von fallenden Preisen für Membranen auszugehen.

Für die Rentabilität einer Membrananlage ist die Ausnut-

zung der Membranfläche durch eine optimale Betriebs-

weise entscheidend, da mit zunehmender Membranfläche

die Kosten steigen. Allerdings folgt aus einer Verdopp-

lung der Membranfläche nicht die Verdopplung der

Kosten, da zu einer Membrananlage auch der Aufwand

für die Anlagenperipherie wie z. B. die Steuerungs- und

Regelungstechnik gehört, welcher kleinere Anlagen stär-

ker belastet [z. B. VOßENKAUL, MELIN 2001].

Die Betriebskosten setzen sich aus mehreren Kompo-

nenten zusammen. Ein wesentlicher Bestandteil der Be-

triebskosten sind die Energiekosten, welche von der Jah-

resbetriebszeit und der Betriebsweise – Crossflow oder

Dead-End – abhängen. Der Energiebedarf von Anlagen

im Dead-End-Betrieb ist eine Größenordnung niedriger

als von Anlagen im klassischen Crossflow-Betrieb.

Je nach Anwendungsfall sind die Kosten für die Reini-

gung der Membranen nicht zu vernachlässigen. Eine

optimierte Reinigung (Chemikalien, Reinigungsinter-

vall) trägt dazu bei, diese Kosten zu minimieren und

möglicherweise gleichzeitig die Standzeit der Membranen

zu verlängern. Je größer die Standzeit der eingesetzten

Membranen ist, desto geringer werden die Membraner-

satzkosten, welche teilweise einen sehr hohen Anteil an

den Gesamtkosten ausmachen. Die Standzeit von Mem-

branen ist je nach Material, Abwasserbeschaffenheit, Vor-

reinigung, Betriebszeit und Betriebsweise sehr unter-

schiedlich (Kapitel 3.5 und Kapitel 3.6, Praxisbeispiele).

Für einige Anwendungen (z. B. Reinigung von Deponie-

sickerwasser) sind Standzeiten von 5 Jahren und mehr in

der Praxis üblich.

Überdies zählen die Kosten für Entsorgung, Versiche-

rungen, Gebäude sowie Personal und Wartung zu den

Betriebskosten. Personal- und Wartungskosten werden

in den meisten Fällen pauschal in Prozent der Investi-

tionskosten abgeschätzt, sind aber auch von der Anla-

gengröße abhängig. Beispielsweise hat die Prüfung der

Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Schlammwasserauf-

bereitung ergeben, dass dieser Wert für kleine Anlagen

in der Regel nach oben und für größere Anlagen eher

nach unten korrigiert werden sollte [VOßENKAUL

ET AL. 2000].

174


Die Aufschlüsselung der Investitionen und Betriebskosten

entfällt für den Nutzer der Anlage, wenn diese nach

einem Betreibermodell installiert wird, z. B. „BOO“

(Build-Own-Operate). Bei dieser Abrechnungsvariante

vergütet der Nutzer der Anlage die Menge des gereinigten

Abwassers nach einem mengenspezifischen Preis, der alle

Kosten der Abwasserreinigung bereits enthält.

Der Kostenaufwand für eine Membrananlage wird immer

in Relation zu dem erwarteten Nutzen bzw. den zu erwar-

tenden Einsparungen gestellt. Der Nutzen kann z. B. in

einer Standortsicherung für den Betrieb, der Einhaltung

von Grenzwerten oder der Reduzierung von Abwasserge-

bühren und Entsorgungskosten bestehen. Einsparungen

lassen sich auch durch eine Kreislaufführung (Brauchwas-

serrecycling oder Rückgewinnung von Wertstoffen) errei-

chen. Fallweise sind diese Einsparungen sehr hoch und

führen so zu einer relativ kurzen Amortisationszeit der

Membrananlage. Wie hoch die Einsparungen gegenüber

den Kosten im einzelnen Anwendungsfall sind und mit

welcher Amortisationszeit gerechnet werden kann, bleibt

jedoch im Einzelfall zu prüfen.

3.5

Anwendungsbeispiele in Deutschland

In den Kapiteln zu 3.5 wird der Einsatz verschiedener

Membranverfahren in Deutschland in unterschiedlichen

Industriebranchen anhand von ausgewählten Beispielan-

lagen vorgestellt, die bereits großtechnisch realisiert und

erfolgreich in Betrieb sind, bzw. sich in der Planung

befinden. Einige der Anlagen wurden mit Fördermitteln

des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirt-


Westfalen (MUNLV NRW) errichtet. Beispiele aus der

internationalen Praxis sind in den Kapiteln zu 3.6 be-

schrieben.

Die Praxisbeispiele sind, abweichend von der Sortie-

rung der Anlagen für den kommunalen Bereich (siehe

Kapitel 2.2), nach ihrem Einsatz in Industriezweigen ge-

ordnet, denn in der industriellen Abwasserbehandlung

werden auch Kombinationen verschiedener Membranver-

fahren eingesetzt. Eine kurze Einführung in den betref-

fenden Industriezweig ist den Beispielen vorangestellt.

Als einleitende Übersicht zu jedem Praxisbeispiel werden

das eingesetzte Membranverfahren, die erreichten Ziele

bzw. der Nutzen der Anlage genannt.

In der Tabelle 3-3 sind alle Beispiele aufgeführt, die im

Folgenden beschrieben werden. Die Anschriften der

genannten Firmen bzw. Unternehmen sind im Anhang

zusammengestellt.

Soweit Informationen zur Gesamtwirtschaftlichkeit der

beschriebenen Verfahren verfügbar waren, werden in den

nachfolgenden Praxisbeispielen dazu Aussagen gemacht.

Für die Gesamtwirtschaftlichkeit einer Membrananlage

ist neben der Bauweise vor allem die Wahl der Betriebs-

parameter entscheidend, welche im Detail erst an der

fertig gestellten Anlage optimiert werden können. Da

die gezeigten Beispiele teilweise noch sehr jung sind bzw.

sich in der Planungsphase befinden, liegen von einigen

der angeführten Anlagen noch keine langjährigen Be-

triebserfahrungen – insbesondere zur Membranstandzeit –

vor. Erst nach längerer Anwendung in der Praxis wird

sich herausstellen, wie erfolgreich und wirtschaftlich der

Einsatz der Membrantechnik im Einzelfall ist.

Die beschriebenen Anlagen sind Beispiele für die groß-

technische Realisierung des Membranverfahrens und

können in der Regel nicht als Standardlösung auf einen

anderen Betrieb des gleichen Industriezweigs übertragen

werden. Für jeden Anwendungsfall ist der Einsatz der

Membrantechnik sowohl hinsichtlich der technischen

Machbarkeit als auch der Wirtschaftlichkeit erneut zu

prüfen.

175


176

Kartoffelstärke-

industrie

Mälzerei

Nahrungsmittel-

industrie

Druckindustrie

Papierfabrik

Textilindustrie

Textilindustrie

Textilindustrie

Faserindustrie

Kunststoff-

industrie

Wäscherei

Wäscherei

Metallverarbei-

tende Industrie

Metallverarbei-

tende Industrie

Metallverarbei-

tende Industrie

Metallverarbei-

tende Industrie

Tab. 3-3

Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung

in Deutschland

Branche

Emsland Stärke

Durst Malz

– H. Durst

Malzfabriken

Beeck Feinkost

Peter Leis

Papierfabrik

Palm

Drews Meerane

Seidenweberei

Pongs

Gerhard van

Clewe

Vulkanfiber

Troplast

Wäscherei Alsco

Textilservice

Mewa

Rasselstein

Hoesch GmbH

Faurecia,

Bertrand Faure

Sitztechnik

Galvanikbetrieb

Rudolf Jatzke

Wieland Werke

Firma

Emlichheim

Gernsheim

Hamburg

Solms

Eltmann

Meerane

Mühltroff

Hamminkeln-

Dingden

Geldern

Troisdorf

Kaiserslautern

Groß Kienitz

Andernach

Stadthagen

Bielefeld-

Sennestadt

Langenberg

Ort

1997

1997

1994

1998

1999

2001

2004

UF/NF/UO: 997

MF: 2001

1997

1998

2000

1998

1999

2000

1993

1998

Inbetrieb-

nahme

UO

UO

UF

UF

NF

UF

MF

MF/UF/

NF/UO

UO

UF

UF/NF

UF/NF

UF

UF

Membran-

Elektrolyse

UF

Membran-

verfahren

Rohrmodule

Wickelmodule

Rohrmodule

keramische

Rohrmodule

Spiralwickel-

modul

getauchte

Kapillarmodule

Plattenmodule

MF: Rohrmodule

UF: keramische

Rohrmodule

NF/UO: Wickel-

module

Wickelmodule

keramische

Rohrmodule

UF: Rohrmodul

NF: Wickelmodul

UF: keramische

Rohrmodule

NF: Wickel-

module

keramische

Rohrmodule

Flachmem-

branen

2 Zellen pro

Dialysator

Kapillarmodule

Module

5.000

1.333

100

2,4

15.000

2.200

320

MF: 225

UF/NF/UO: k. A.

312

38

UF: 44

NF: 180

UF: 60

NF: 135

4,56

1,1

44

Membran-

fläche m2

3.5.1.1

3.5.1.2.1

3.5.1.3

3.5.2

3.5.3.1

3.5.4.1

3.5.4.2

3.5.4.3

3.5.5

3.5.6

3.5.7.1

3.5.7.2

3.5.8.1

3.5.8.2

3.5.8.3

3.5.8.1

Kapitel


177

Lackwasser-

aufbereitung

Lackwasser-

aufbereitung

Pharmaindustrie

Deponiesicker-

wasser

Fischzucht

Kraftwerke

Bilgenentölung

Schwimmbad

Schwimmbad

Tab. 3-3 (Fortsetzung)


in Deutschland

Branche

DaimlerChrysler

Ford Werk

Schering

Deponie

Alsdorf-Warden

Pilotanlage

GuD Dresden

Aquana

Freizeitbad

Freizeitbad

Copa Ca

Backum

Firma

Düsseldorf

Köln

Bergkamen

Alsdorf

Dresden

Würselen

Herten

Ort

1998

2001

2003

1999

2004

1996

1989

1998

1998

Inbetrieb-

nahme

UF

NF

UF

UO

MF

UF

UF

UF/UO

UF

Membran-

verfahren

Plattenmodule

k.A.

Kapillarmodule

Scheiben-

Rohr-Module

Plattenmodule

keramische Mul-

tikanal-Elemente

Rohrmodule

UF: Kapillar-

module

UO: Spiralwickel-

module

Hohlfasermodule

Module

30

k.A.

15.840

460

21

15,2

23,6

UF: 42

UO: 140

300

Membran-

fläche m2

3.5.9.1

3.5.9.2

3.5.10

3.5.11.1.1

3.5.11.2

3.5.11.3

3.5.11.4

3.5.11.5.1

3.5.11.5.2

Kapitel

3.5.1

Nahrungsmittelindustrie

Unter dem Oberbegriff der Lebensmittelbranche sind zahl-

reiche Produktionsbetriebe zusammengefasst, wie z. B. die

Milch und Fleisch verarbeitende Industrie, die Gemüsever-

arbeitung und Fertigproduktherstellung, die Getränke-

industrie usw. Entsprechend unterschiedlich sind die Ab-

wässer der einzelnen Industriezweige zusammengesetzt,

gemeinsam ist ihnen lediglich die meist hohe organische

Belastung.

Stellvertretend für den Einsatz der Membrantechnik als

Aufbereitungsverfahren für Abwässer aus der Lebens-

mittelindustrie werden hier drei Produktionszweige, die

Kartoffelstärkeproduktion, die Feinkostherstellung und

die Malzproduktion, näher beschrieben und anhand von

Praxisbeispielen dargestellt.

Neben der Abwasserreinigung wird die Membrantechnik

in der Lebensmittelindustrie auch für andere Zwecke, wie

Aufkonzentrierung (z. B. von Saft, Milch, Molke, Eiklar),

Klarfiltration (z. B. von Saft, Wein, Bier) und Bierentalko-

holisierung, eingesetzt. Die bei der Entalkoholisierung

anfallende Alkoholfraktion ist in der Abwasserreinigung

als Substrat für die Denitrifikation (als Methanolersatz)

gut geeignet.


3.5.1.1

Kartoffelstärkeproduktion

In der Bundesrepublik Deutschland werden vier Stärke-

sorten produziert: Mais-, Kartoffel-, Weizen- und Reisstärke.

Von den jeweiligen Rohstoffen weist die Kartoffel den

größten Wassergehalt auf. Zur Produktion der Stärke wer-

den die Kartoffeln in einer Vorwäsche gründlich gesäubert

und anschließend zerrieben (Reibsel), vom Fruchtwasser

getrennt (0,76 m3 Fruchtwasser pro Tonne Kartoffeln)

und ausgewaschen. Aus dem Reibsel wird die Stärke ge-

wonnen, aus dem Fruchtwasser im Allgemeinen Kartoffel-

eiweiß erzeugt (Abbildung 3-5). Das entstehende Rest-

fruchtwasser wird auf landwirtschaftlichen Flächen ver-

regnet oder eingedampft. Die Kartoffelpülpe ist der Rest-

bestandteil, der feingemahlene Schale, Zellwände, Stärke-

reste und Fruchtwasser enthält. Sie wird entwässert und

in Deutschland und den Benelux-Staaten seit vielen Jah-

ren als Futtermittel für Milch- und Jungvieh und teil-

weise auch für Mastvieh verwertet.

Bei dem gesamten Prozess fallen somit Schwemm- und

Waschwässer, Frucht- und Stärkewaschwässer an. Pro

Tonne Stärke ist mit einem Waschwasseranfall von ca. 1,8

bis 2,8 m3 zu rechnen. Charakteristische Inhaltsstoffe

sind Kartoffelfruchtwasserbestandteile, Fasern und mine-

ralische Bestandteile (Erde, Sand usw.).

Die Kartoffelstärkeproduktion erfolgt im Kampagnebetrieb.

Die Düngeverordnung (1996) fordert eine Speicherung von

Kartoffelfrucht- und Verregnungswasser zwischen dem

15. November und 15. Januar (bei Frost auch länger) und

begrenzt die Herbstausbringung mit max. 80 kg Nges/ha.

Bei diesen Randbedingungen bietet sich eine Aufkonzen-

trierung des Fruchtwassers sowie eine Wasserkreislauf-

schließung im Betrieb an. Dies kann durch verschiedene

Verfahren (z. B. durch Membrantechnik) erreicht werden.

178

Kartoffeln

Fasern Kartoffelfruchtwasser

Eiweißausfällung

Lösliche Stoffe

Kartoffeleiweiß

Kartoffelpülpe

Reibe Fraktionierung im Nassverfahren

Stärke

Abb. 3-5

Fließschema der Kartoffelstärkeproduktion


Das Unternehmen Emsland Stärke GmbH ist der größte

deutsche Kartoffelstärkeproduzent und gehört weltweit

zu den führenden Herstellern von Stärkeveredlungspro-

dukten, Kartoffeleiweiß, Aminosäuren, Kartoffelprodukten

und Verzuckerungsprodukten wie Glukosesirup. Heute

zählt das 1928 in Emlichheim gegründete Stammwerk

allein 405 Mitarbeiter. Bei der Herstellung von Kartoffel-

stärke, Stärkederivaten und Kartoffeleiweiß wird Wasser

in Trinkwasserqualität eingesetzt, das nach Gebrauch als

Abwasser (Schwemm- und Waschwasser, Derivatabwasser)

entsorgt werden muss.

Im Werk Emlichheim wurde 1997 eine Umkehrosmose-

anlage der Fa. Stork in Betrieb genommen, durch welche

die Entsorgungsmenge reduziert, Trinkwasser eingespart

und mehr Eiweiß zurückgewonnen wird. Bei 40 bar Be-

triebsdruck wird das Kartoffelfruchtwasser aus der Stärke-

produktion im Crossflow-Verfahren abgetrennt. Die ein-

gesetzten Rohrmodule haben eine gesamte Membranfläche

von 5.000m2, mit der ein Feed-Volumenstrom von 140m3/h

bewältigt wird. Bei täglicher Rückspülung und Reinigung

mit handelsüblichen Reinigungsmitteln auf Enzymbasis

beträgt die Standzeit der Membranen etwa 6.000 Stunden.

Während des Kampagnebetriebs der Kartoffelstärkeproduk-

tion (ca. 120 Tage pro Jahr) ist die Anlage 24 Stunden in

Betrieb, so dass nach ca. zwei Kampagnen die Membranen

ausgewechselt werden müssen.

179

Kartoffeln

Stärkefabrik mitverbessertem

Kartoffelaufschluss

Eindampfung

betriebseigeneKläranlage für

Brüdenkondensate

Wasserversorgung

Aufbereitung

Fasern

Kartoffel-fruchtwasser Umkehrosmose

Eiweißgewinnung

Kartoffelpülpe

Permeat zurKartoffelwäsche

Kartoffeleiweiß

Prozesswasser

Brüdenkondensat

Überschuss

RetentatDüngerFuttermittelMelasse

Vorfluter

Abwasser aus Aufbereitung

Abb. 3-6

Fließschema zur Aufbereitung von Prozess- und Kartoffelfruchtwasser bei der Emsland Stärke GmbH

[nach LOTZ 2000]

Nahrungsmittelindustrie, Emsland Stärke GmbH

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1997

Reduzierung der Abwassermenge und Trinkwassermenge, höhere Eiweißausbeute

5.000 m2

Rohrmodule

62 m3/h

Trennung von Fasern und Fruchtwasser

Einsparung von Energie, Wasser, Abwasser bei gleichzeitiger Erzielung einer höheren Eiweißausbeute

Membranverfahren Umkehrosmose

UO3.5.1.1.1


Das Permeat (ca. 62 m3/h) aus der Umkehrosmoseanlage

wird für die Kartoffelwäsche eingesetzt, während aus dem

Retentat Kartoffeleiweiß gewonnen wird. Das noch ver-

bleibende Restkartoffelfruchtwasser wird anschließend ein-

gedampft, die Brüdenkondensate werden der betriebsei-

genen Kläranlage (ausschließlich für die Brüdenkonden-

sate) zugeführt und nach weiterer Aufbereitung als Be-

triebswasser in Trinkwasserqualität in den Produktions-

prozess zurückgeführt (siehe auch Abbildung 3-6).

Durch die Wasserkreislaufführung werden neben Ener-

gie pro Jahr mehr als 500.000 m3 Wasser eingespart

(250.000 m3 Waschwasser durch Permeat der Umkehr-

osmoseanlage und mehr als 250.000 m3 durch Kreislauf-

schließung mit dem Brüdenkondensat). Weitere Vorteile

des Membraneinsatzes sind die drastische Reduzierung

der zu entsorgenden Abwassermengen sowie die höhere

Eiweißausbeute.

3.5.1.2

Mälzerei

Malz wird als Rohstoff für die Alkoholgewinnung aus stär-

kehaltigen Produkten benötigt. Von einem großen Teil der

Brauereien wird heute das Malz von Handelsmälzereien

bezogen, die für die Malzbereitung vorwiegend Gerste

(pro Jahr etwa 2,5 Mio. Tonnen [GUTSCH, HEIDENREICH

2001]) und teilweise Weizen verwenden. Vereinfachend

lässt sich die Malzherstellung in die Schritte Reinigen,

Weichen, Keimen und Darren aufteilen [KRAFT, MENDE

1997]. Durch den hohen Wasserverbrauch im Wasch-

und Weichprozess entstehen für Mälzereien enorme

Kosten für den Frischwasserbezug und die Abwasserent-

sorgung [GUTSCH, HEIDENREICH 2001].

Für Abwasser, dessen Schmutzfracht im Wesentlichen aus

der Herstellung von Malz aus Getreide stammt und das

direkt in ein Gewässer eingeleitet wird, sind die Grenz-

werte nach Anhang 21 der Abwasserverordnung [ABWV

2002] maßgebend. Die anfallenden Abwassermengen und

-konzentrationen sind in den Malzfabriken je nach ange-

wendetem Verfahren sehr unterschiedlich. Inhaltsstoffe

der Abwässer sind suspendierte Stoffe (Staub, erdige

Bestandteile, Getreidereste, Spelzenreste), Zucker, stick-

stoffhaltige Substanzen (lösliche Eiweißstoffe, Pflanzen-

fibrin) und anorganische Stoffe sowie eventuell Gummi

und Polyphenole.

Zur Aufbereitung von Mälzereiabwasser kann die Mem-

brantechnik in verschiedenen Kombinationen eingesetzt

werden, die auf den konkreten Anwendungsfall abge-

stimmt werden müssen. Neben dem angeführten Beispiel

ist auch eine Aufbereitung mittels Mikrofiltration im

Unterdruckverfahren in Kombination mit einer biologi-

schen Stufe und einer Kreislaufführung des Prozesswas-

sers möglich [KRAFT, MENDE 1997].

180


Mälzerei, Durst Malz

– H. Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG

Das Heidelsheimer Unternehmen H. Durst Malzfabriken

GmbH & Co. KG hat sich auf die Malz-Herstellung für Pil-

sener Bier spezialisiert, liefert aber auch Spezialmalze für

andere Brauarten. Im Werk Gernsheim, einem der vier

Betriebe, die pro Jahr zusammen rund 230.000 Tonnen

Malz herstellen, sind heute 25 Mitarbeiter beschäftigt.

Die hohen Abwassermengen und -kosten führten Durst

Malz zu einer Kooperation mit der Bad Vilbeler Schwander

GmbH, die zusammen mit der Frings Recycling-Anlagen

GmbH (heute imb+frings watersystems gmbh) das paten-

tierte FriSch-Verfahren® zur Aufbereitung von Betriebs-

wasser in der Malz- und Getränkeindustrie entwickelte.

Mit Förderung durch die Hessische Landes- und Treuhand-

gesellschaft (HLT) Wiesbaden, der heutigen Investbank

Hessen (IBH), konnte 1997 in Gernsheim eine Anlage zur

Aufbereitung des Mälzereiabwassers in Betrieb genom-

men werden (Abbildung 3-7). Seitdem werden täglich

700 m3 Wasser, das sich aus dem Weichwasser der Gerste

und dem Waschwasser der Produktionsanlagen zusam-

mensetzt, behandelt.

Das Mälzereiabwasser hat einen hohen CSB-Gehalt von

ca. 2.500 bis 3.000 mg/l. Durch eine biologische (SBR-

Verfahren1)) und chemisch-physikalische (Eisenchlo-

rid-Fällung) Behandlung mit anschließender Feinfiltra-

tion wird diese Konzentration bis auf 30 mg/l im Zulauf

der Umkehrosmoseanlage herabgesetzt. Anschließend

entfernen in der Umkehrosmoseanlage (imb+frings

watersystems gmbh) Wickelmodule mit einer gesamten

Filterfläche von 1.333 m2 bei einem Betriebsdruck von ca.

10 bar alle unerwünschten Mälzerei-Rückstände aus dem

Wasser. Das entstehende Permeat entspricht den Anforde-

rungen der Trinkwasserverordnung und wird zu 100 % in

die Gerstenweiche zurückgeführt. Das verbleibende Reten-

tat (ca. 25 bis 30 % des gesamten Zulaufs zur Membran-

anlage) wird in der kommunalen Kläranlage behandelt.

Um den Betrieb der Wickelmodule zu gewährleisten, wird

ein Antiscalingmittel eingesetzt und eine tägliche Spülung

der Module mit Zitronensäure vorgenommen.

Der Einsatz der Membrananlage führte zu einer Verminde-

rung des Wasserbedarfs und zu erheblichen Kosteneinspa-

rungen bei der Abwasserabgabe. Der modulare Aufbau der

Anlage ist ein weiterer Vorteil, da so eine problemlose Anpas-

sung an sich ändernde Produktionsparameter möglich ist.

181

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1997

Reduzierung der Abwassermenge und -kosten

1.333 m2

Wickelmodule

ca. 470 m3/d

Biologische Reinigung (SBR), Fällung

Einsparungen auf der Frischwasserseite und Kostenreduzierung auf der Abwasserseite


1) SBR-Verfahren: Sequencing-Batch-Reaktor-Verfahren: Alle Phasen des Reinigungsprozesses laufen zeitlich nacheinander in einem Reaktor ab.

Abb. 3-7

Umkehrosmoseanlage bei der Durst Malzfabriken

GmbH & Co. KG, Gernsheim [LINDEMANN 2001]

UO3.5.1.2.1


Im Unternehmen BEECK Feinkost GmbH & Co. KG wer-

den Delikatessen und Salatdressings hergestellt. Am Stand-

ort Hamburg sind über 200 Mitarbeiter beschäftigt.

Für die Zubereitung von Delikatessen und Salatdressings

werden Tanks und Geräte benötigt, welche anschließend

mit Wasser und Reinigungsmitteln gesäubert werden.

Dabei gelangen Feststoffe sowie emulgierte Fette und Öle

in das Wasser, die eine hohe CSB-Konzentration verursa-

chen. Die Reinigung des Abwassers durch einen Fettab-

Nahrungsmittelindustrie, BEECK Feinkost

GmbH & Co. KG

scheider reichte nicht aus, um die Grenzwerte für die

CSB-Konzentration einzuhalten, so dass für diesen Para-

meter ein Starkverschmutzerzuschlag entrichtet werden

musste.

Zur Senkung der Abwassergebühren ist seit 1994 eine

Ultrafiltrationsanlage der Firma Koch-Glitsch GmbH

in Betrieb. In einer Vorfiltration werden zunächst die

Feststoffe aus dem gesammelten Abwasser abgetrennt.

182

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1994

Einhaltung der geforderten Grenzwerte und Senkung der Abwassergebühren (Starkverschmutzerzuschlag)

100 m2

Rohrmodule

3,5 – 6 m3/h, produktionsabhängig

Vorfiltration

Einsparung von Abwassergebühren

Membranverfahren Ultrafiltration

Abwasser

Partikel

100 %

Pumpenschacht

Vorfiltration

Tank 80 m3

Entsorgung 1 %

Sammelbehälter

Ultrafiltration

Kanalisation 99 %

Konzentrat

Messung/Überwachung Neutralisation

Konzentrat

Filtrat

Kreislaufführungnach Abschaltungdes Zulaufs

Abb. 3-8

Verfahrensskizze der Abwasseraufbereitung bei BEECK Feinkost GmbH [nach KOCH-GLITSCH GMBH 2001]

UF3.5.1.3


Das vorfiltrierte Wasser wird anschließend in einen Tank

geleitet, aus dem die Beschickung der Ultrafiltrationsanla-

ge erfolgt (Abbildung 3-8). Die Anlage ist mit Rohrmodu-

len aus PVDF 2)-Membranen mit einer Trenngrenze von

250.000 Dalton (KOCH-GLITSCH GMBH) ausgestattet,

die im Crossflow-Verfahren überströmt werden. Unter

einem Betriebsdruck von maximal 6,2 bar werden ins-

gesamt ca. 3,5 bis 6 m3 Abwasser pro Stunde (produk-

tionsabhängig) durch die 100 m2 große Membranfläche

filtriert.

In Abhängigkeit von der Produktion wird der Zulauf zum

Tank geschlossen, so dass das Abwasser durch Kreislauf-

führung über die Ultrafiltrationsanlage weiter aufkonzen-

Die Grafische Handelsvertretung Peter Leis in Solms ver-

sorgt mit fünf Mitarbeitern Druckereien unter anderem

mit Druckwalzen und Chemikalien, wie beispielsweise

Reinigungsölen für Druckmaschinen.

Zum Service des Unternehmens gehört die Rücknahme

von gebrauchten Druckereiwaschölen von den Kunden.

Gemeinsam mit den Firmen CARO Umwelttechnik GmbH

(jetzt Kontakt über NERAtec AG) und Altenburger Elektro-

nic GmbH wurde daher ein Verfahren entwickelt, mit

dem aus den verschmutzten Waschölen ein hochwertiges,

wieder verwendbares Produkt hergestellt wird.

Seit Herbst 1998 trennt eine Anlage mit Membrantechnik

die Inhaltsstoffe Öl, Wasser, Farbpartikel und Papierstaub.

Das Gesamtsystem besteht aus einer Mikro-Anschwemm-

filtration zur Entfernung der Grobstoffe, einem Ölabschei-

der zur Trennung von Öl und Wasser sowie einer Ultra-

filtration zur Reinigung der Ölphase. Mit einer gesam-

ten Membranfläche von 2,4 m2 produzieren keramische

Rohrmodule (Firma Tami) bei einem Betriebsdruck von

ca. 3 bar etwa 30 l Permeat pro Stunde. Die Ultrafiltrations-

anlage (Abbildung 3-9) ist durchschnittlich 6 bis 8 Stun-

den pro Tag in Betrieb. Eine Reinigung der Membranen

durch Ausbau und Ausbrennen wird nach einem Durch-

satz von ca. 5.000 l erforderlich, das Ende der Standzeit

der Membran ist im Durchschnitt nach 20.000 l erreicht.

Das Filtrat wird als hochwertiges Recyclingwaschöl (Re-

cyclingwaschmittel) erneut eingesetzt, das Konzentrat

wird in die Anschwemmfiltration zurückgeführt.

triert wird. Bei erreichter Aufkonzentration wird das Kon-

zentrat (1 % des Zulaufwassers) entsorgt, das gewonnene

Filtrat (99 % des Zulaufwassers) wird nach Neutralisation

in die Kanalisation abgeleitet.

Die Membranen werden einmal in der Woche chemisch

gereinigt. Bei dieser Betriebsweise beträgt die Standzeit

vier bis fünf Jahre.

Neben ökologischen bringt die Anlage auch wirtschaftli-

che Vorteile: Durch die Einsparung des Starkverschmut-

zerzuschlags haben sich die Investitionen der Anlage

bereits nach drei Jahren amortisiert.

183

2) Polyvinylidenfluorid

Druckindustrie, Peter Leis

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

Herbst 1998

Herstellung eines wieder verwendbaren Produkts aus verschmutzten Waschölen

2,4 m2

Keramische Rohrmodule

30 l/h

Mikro-Anschwemmfiltration zur Entfernung der Grobstoffe, Ölabscheider

Einsparung von Entsorgungskosten und neuen Waschölen


UF3.5.2


Neben den positiven Auswirkungen auf die Umwelt durch

die Produktkreislaufschließung ergeben sich auch wirt-

schaftliche Vorteile durch den Einsatz dieser Verfahrens-

kombination. So konnten die jährlichen Entsorgungskosten

halbiert und der Einsatz neuer Waschöle auf nur 25 %

gesenkt werden, wovon nicht zuletzt auch die Abnehmer

profitieren. Die Amortisation der 51.000 EUR-Investition

benötigt unter den jetzigen Betriebsbedingungen zwei

Jahre. Diese Betriebsbedingungen wurden ca. 1,5 Jahre

nach der Inbetriebnahme erreicht.

3.5.3

Papierindustrie

Papierfabriken gehören zu den Wasser-Großverbrauchern,

denn Wasser wird bei der Erzeugung von Pressedruckpa-

pieren sowohl bei der Aufbereitung der Faserrohstoffe als

auch im eigentlichen Erzeugungsprozess auf der Papier-

maschine benötigt. Das Wasser wird meist als Oberflächen-

wasser Flüssen oder Seen entnommen und biologisch ge-

reinigt wieder abgegeben. Die Jahresproduktion von Papier

und Pappe in Deutschland beträgt ca. 20 Mio. Tonnen, wo-

bei pro Tonne Produkt durchschnittlich 10 m3 Abwasser

anfallen [VDP 2004]. Für das Einleiten von Abwasser in

Gewässer, das aus der Herstellung von Papier und Pappe

stammt, gilt Anhang 28 der AbwV [ABWV 2002].

Für die Herstellung neuen Druckpapiers aus Altpapier müs-

sen aufgetragene Druckfarben entfernt werden. Neben

Wasser und Luft werden dafür Hilfsstoffe wie Seife, Natron-

lauge, Wasserglas, Wasserstoffperoxyd und Komplexbild-

ner benötigt. Für die Herstellung von Magazinpapieren

muss der Faserstoff gebleicht werden.

Generell ist das Abwasser aus Papierfabriken organisch be-

lastet. Die Zusammensetzung und weitere Inhaltsstoffe

hängen jedoch stark von den eingesetzten Rohstoffen und

der Art des hergestellten Papiers ab und unterscheiden

sich daher erheblich. Membranverfahren spielen heute für

die Reinigung von Papierabwässern noch eine untergeord-

nete Rolle. Insbesondere die bei der Altpapieraufbereitung

anfallenden Abwässer können nahezu calciumgesättigt

sein und zu Scaling führen und sind außerdem vielfach

durch hohe Ligningehalte und einen hohen Anteil von

Faserstoffen gekennzeichnet. Der Einsatz eines Membran-

verfahrens und erforderliche Vorbehandlungsmaßnahmen

sind aus diesen Gründen sorgfältig zu prüfen und zu pilo-

tieren.

184

Abb. 3-9

Ultrafiltrationsanlage in der Grafischen Handelsvertretung

Peter Leis [LEIS IN EFA 2000]


Die Papierfabrik Palm mit Unternehmenssitz in Aalen-

Neukochen, Baden-Württemberg, gehört zu den führen-

den europäischen Herstellern von Zeitungsdruckpapier

und Wellpappenrohpapieren. Im Werk Eltmann in Bayern

sind 250 Mitarbeiter an der Herstellung von Zeitungs-

druckpapier aus 100 % Altpapier beteiligt.

Bei der Stoffaufbereitung und Papiererzeugung fällt Ab-

wasser an, das CSB- und AOX-belastet ist sowie Salze und

Farben enthält. Um die Einleitbedingungen für Direktein-

leiter einzuhalten, wird das Abwasser seit Dezember 1999

biologisch gereinigt und nach einer anschließenden

Sandfiltration mit einer Nanofiltrationsanlage der

Wehrle Werk AG im Crossflow-Verfahren behandelt. Die

Anlage wurde durch die Deutsche Ausgleichsbank im

Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz

und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert.

Die in der Nanofiltration eingesetzten Spiralwickelmodule

(KOCH-GLITSCH GMBH) auf Polyamidbasis sind in einer

Feed-and-Bleed-Struktur (siehe Kapitel 1.5 bzw. Abbildung

3-10) angeordnet. Bei einem Betriebsdruck von 3 bis 7 bar

bewältigt die gesamte Membranfläche von 15.000 m2

einen Feed-Volumenstrom von maximal 19 m3 in der

Stunde. Bei einer Ausbeute von ca. 90 % werden dabei

175 m3/h Permeat gewonnen, welches zurzeit noch in den

Vorfluter geleitet wird. Eine Rückführung des Permeats

und die Nutzung als Prozesswasser ist geplant. Das Kon-

zentrat wird mit Kalkmilch und Flockungsmitteln behan-

delt, wobei eine Optimierung der Konzentratbehandlung

ebenfalls in Planung ist.

Bislang erfolgt täglich eine Spülung der Module und ca.

wöchentlich (je nach Betriebsdruck) eine chemische Rei-

nigung. Bei diesem Betrieb beträgt die Standzeit der

Membranen 2 bis 5 Jahre. Diese Betriebsparameter der

Membranspülung und Reinigung werden derzeit noch

optimiert.

Die Membrananlage im Werk Eltmann sichert die Einhal-

tung der Einleitbedingungen und dient damit vorrangig

dem Umweltschutz. Die geplante Schließung des Wasser-

kreislaufs und die Nutzung des Permeats als Prozesswasser

wird Frischwasser einsparen und lässt damit auch wirt-

schaftliche Vorteile erwarten.

185

Papierfabrik Palm, Werk Eltmann

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

Dezember 1999

Einhaltung der Anforderungen für Direkteinleiter

15.000 m2

Spiralwickelmodule

ca. 175 m3/h

Biologische Reinigung, Sandfiltration

Einhaltung der Einleitebedingungen, Einsparung von Brauchwasser nach erfolgter

Wasserkreislaufschließung

Membranverfahren Nanofiltration

NF3.5.3.1


3.5.4

Textilindustrie

In Deutschland existieren ca. 1.100 Textilbetriebe, davon

ca. 150 Veredlungsbetriebe meist klein- und mittelständi-

scher Struktur [GESAMTTEXTIL 2004]. In den verschiede-

nen Produktionsbereichen fallen Prozessabwässer an,

deren Zusammensetzung die vielfältigen Betriebsstrukturen

und die jahreszeitlich schwankenden Produktionspro-

gramme widerspiegelt. Die Entsorgung dieser Prozess-

abwässer verursacht steigende Kosten.

Die Verfahrensvielfalt in der Textilveredlung lässt verall-

gemeinernde Aussagen zum Wasserverbrauch kaum zu,

im Durchschnitt fallen bei der Veredlung von 1 kg Texti-

lien ca. 60 bis 80 l – zum Teil stark farbiges – Abwasser an

[MARZINKOWSKI 1999]. Abwässer aus der Farbküche, die

beim Waschen von Farbansatzbehältern entstehen, sind

hochkonzentriert. Hingegen sind Abwässer aus der Färberei

mit Farbstoffen in geringeren Konzentrationen belastet.

Von wenigen Ausnahmen abgesehen sind diese Farbstoffe

unter aeroben Bedingungen biologisch nicht oder nur

sehr schwer abbaubar [BRAUN ET AL. 1997].

Da viele mittelständische Textilveredlungsunternehmen

Indirekteinleiter sind, ergeben sich in der kommunalen

Abwasserbehandlung Probleme durch die Parameter CSB

und Farbigkeit [GUTSCH, HEIDENREICH 2001]. Für die

Direkteinleitung sind die Grenzwerte gemäß Anhang 38

der Abwasserverordnung [ABWV 2002] einzuhalten. Eine

weitergehende Entfärbung textiler Abwässer kann neben

Verfahren wie Fällung, Flockung und chemische Oxida-

tion auch unter Einsatz der Membrantechnik erreicht

werden.

Die Vielfalt der Abwässer aus der Textilveredlung macht

es allerdings unmöglich, den Einsatz, die Leistungsfähig-

keit sowie die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Mem-

branverfahren in diesem Bereich pauschal zu beurteilen.

Der mögliche Einsatz und die Leistungsfähigkeit der

Membrantechnik erfordern eine individuelle Anpassung

an die jeweiligen Erfordernisse für jeden Einzelfall und

jeden Standort und sind durch ausführliche Pilotversuche

zu prüfen. Für die Wirtschaftlichkeit sind die Behandlung

und der Verbleib bzw. die Entsorgung des Retentats von

Interesse [MACHENBACH 1998].

186

Feed

Konzentrat

Permeat

Konzentrat

Permeat

Konzentrat

Permeat

Konzentrat

Permeat

Konzentrat Permeat

1. Zirkulation

2. Zirkulation

3. Zirkulation

4. Zirkulation

Abb. 3-10

Nanofiltrationsanlage in der Papierfabrik Palm, Werk Eltmann (links) [SCHIRM 2001] und

Teilausschnitt der Rohrmodul-Anordnung in einer Feed-and-Bleed-Struktur (rechts) [nach SCHIRM 2001]


Verschiedene Verfahrenskombinationen werden zur Rei-

nigung von Abwässern aus der Textilindustrie getestet

bzw. bereits in der Praxis eingesetzt:

• Zur Realisierung eines geschlossenen Wasserkreislaufs

in der Textilveredlung gab es Versuche zur Kombination

aus biologischer Stufe (Scheibentauchkörper), Cross-

flow-Mikrofiltration und Aktivkohle-Adsorption (voll-

ständige Entfärbung) [WAIZENEGGER ET AL. 2000].

• In Versuchen konnte die Eignung einer Nanofiltration

zur Behandlung von Abwässern aus der Textilindustrie

bzw. eine Wasserkreislaufschließung durch Kombina-

tion von Ultra- und Nanofiltration sowie die Behand-

Die Drews Meerane GmbH betreibt eine Textilveredlung,

bei der hoch belastete Abwässer anfallen. Die CSB-Kon-

zentrationen liegen zwischen 1.000 und 1.500 mg/l, und

die Abwässer sind durch eine starke Farbigkeit gekenn-

zeichnet, die durch gut wasserlösliche Azofarbstoffe her-

vorgerufen wird.

Das neue Konzept zum Wasser- und Abwassermanagement

sieht die getrennte Behandlung der höher und geringer

belasteten Abwasserteilströme vor. In der Abwasserbehand-

lungs- und -aufbereitungsanlage werden täglich etwa

1.500 m3 Abwasser behandelt, wobei der Anteil der höher

belasteten Abwässer ca. 60 % beträgt. Die CSB-Konzen-

trationen in den höher belasteten Teilströmen betragen

ca. 1.400 mg/l, in den geringer belasteten Teilströmen

ca. 1.100 mg/l.

Die geringer belasteten Abwässer werden durch ein anae-

rob-aerob-Verfahren mit anschließender Schlammabtren-

nung in einem Lamellenseparator (Abbildung 3-11) be-

handelt. Das gereinigte Abwasser wird anschließend zur

kommunalen Kläranlage geleitet.

Die höher belasteten Abwässer werden zunächst in einem

Anaerobreaktor behandelt, wobei die Azo- und andere

Farbstoffe gespalten werden. Die Spaltprodukte sind sehr

viel kleiner und haben eine gelbliche Färbung oder sind

farblos.

Danach erfolgt eine aerobe Behandlung des Abwassers.

Im anschließenden Lamellenseparator wird der einge-

dickte Schlamm abgetrennt und in den Anaerobreaktor

zurückgeführt.

lung der Konzentrate in einem biologischen Festbettre-

aktor nachgewiesen werden. Diese Verfahrenskombina-

tion ist aber noch nicht großtechnisch in Deutschland

realisiert [SCHÄFER ET AL. 1997; GUTSCH, HEIDEN-

REICH 2001].

• In einer Großanlage werden Färbereiabwässer mit einer

Kombination aus biologischer Stufe, Adsorption, nach-

geschalteter Umkehrosmoseanlage und Aktivkohlefil-

tration bis auf Direkteinleiterqualität gereinigt und der

überwiegende Teil des gereinigten Wassers als univer-

selles Brauchwasser in der Produktion wieder verwen-

det [BRAUN ET AL. 1997].

187

Textilindustrie, Drews Meerane GmbH

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2001

Wiederverwendung des gereinigten Abwassers

2.200 m2

getauchte Kapillarmembranen

ca. 34 m3/h

Bogensieb

Reduzierung des Frischwasserverbrauchs und der Abwassermenge, Kosteneinsparung


UF3.5.4.1


Dem Lamellenabscheider ist eine Ultrafiltrationsan-

lage mit getauchten Kapillarmodulen der Firma Zenon

nachgeschaltet, in der die vollständige Fest-Flüssigtren-

nung realisiert wird. Die Membrananlage besteht aus sechs

Kassetten des Typs 500c mit einer gesamten Membran-

fläche von 2.200 m2. Bei der Behandlung der höher belas-

teten Abwässer mit dieser Verfahrenskombination wird

ein CSB-Abbaugrad von 90 % erreicht. Ein Teil des Filtrats

der Membrananlage wird nach einer Restentfärbung durch

Ozon als Recyclingwasser mit einer durchschnittlichen

CSB-Konzentration von 160 mg/l für Spül- und Reini-

gungszwecke vorwiegend in der Textildruckerei einge-

setzt.

Durch dieses Behandlungskonzept konnte die kommuna-

le Kläranlage um eine CSB-Fracht von rund 500 kg/d ent-

lastet werden. Die Wirtschaftlichkeit der Aufbereitungs-

anlage im Vergleich mit einer konventionellen Abwasser-

behandlungsanlage wird bei einer Recyclingquote von

ca. 26 % erreicht, wobei die tatsächlich erzielte Recycling-

quote sehr viel höher ist.

Das Vorhaben wurde von der Deutschen Bundesstiftung

Umwelt gefördert und erhielt im Jahr 2002 den Techno-

logieförderpreis 2002 der IHK Braunschweig.

188

Abfluss zurkommunalenKläranlageLamellenseparator

Aerob-reaktor

Anaerob-reaktor

Abwasserbehandlungsanlage

Gebläse-station

Lamellenseparator

Aerob-reaktor

Anaerob-reaktor

Abwasserbehandlungsanlage



Rezirkulation (RZ)Membranstufe

Ozonung

Brunnenwasser

aufbereitetes Abwasser

Abb. 3-11

Verfahrensschema der Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage bei Drews Meerane GmbH



Die PONGS Textil GmbH produziert und veredelt am

Standort Mühltroff seit 1993 unter anderem großflächige

Spezialgewebe mit einer Breite von bis zu 6,20 m. Dafür

werden geschlichtete Ketten- und Schussgarne verarbeitet.

Vor der Weiterverarbeitung wird die Rohware gewaschen,

um anhaftende Schlichtemittel sowie Wachse und Öle,

die in der Regel biologisch schwer abbaubar sind, zu ent-

fernen. In Abhängigkeit der an der Rohware anhaftenden

Stoffe (Schlichte) beträgt die Waschtemperatur zwischen

60 °C und 95 °C.

Angesichts steigender Produktions- und Abwassermengen

sowie der daraus resultierenden Entsorgungskosten stand

der Textilbetrieb 1999 vor der Entscheidung, die Produk-

tion an einen anderen Standort zu verlagern oder ein Ver-

fahrenskonzept umzusetzen, das die geforderte Reinigungs-

leistung trotz starker Frachtschwankungen im Abwasser

sicherstellt und eine Wiederverwendung des gereinigten

Abwassers zu einem hohen Anteil in der Produktion er-

laubt.

189

Seidenweberei PONGS

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2004

Wiederverwendung des Abwassers/Schließung von Wasserkreisläufen

320 m2

Doppeldeckmodule / Plattenmembranen

ca. 2,5 m3/h

Schwingsieb

Erweiterung der Abwasserbehandlungskapazität, Einsparung von Frischwasser- und Abwasserkosten

Membranverfahren Mikrofiltration

Abb. 3-12

Umbau der Abwasserreinigungsanlage bei PONGS Textil GmbH; links: Umbau der bestehenden Tropf-

körperanlage [Foto: A3 GMBH 2004]; rechts: neue Membranbelebungsanlage [Foto: A3 GMBH 2004]


MF3.5.4.2


Mit dem Ziel, die Umbaukosten der bereits bestehenden

Abwasserreinigungsanlage gering zu halten, wurde in den

Jahren 1999-2000 die vorhandene Tropfkörperanlage zu

einer Membranbelebungsanlage umgestaltet (Abbildung

3-12).

Bis zu einer weiteren Kapazitätserhöhung im Jahr 2004

wurde diese als Kaskade ausgeführte Membranbelebungs-

anlage betrieben. Sie bestand aus zwei in Reihe angeord-

neten, intensiv belüfteten Behältern, von denen der zweite

mit getauchten Membranmodulen der Firma A3 ausge-

stattet war. Die Filtrationsleistung der Anlage konnte

ohne eine chemische Reinigung der Membranmodule

über Zeiträume von sechs Monaten aufrecht erhalten

werden. Das gereinigte Abwasser wurde je nach Bedarf zu

einem großen Anteil als Brauchwasser im Textilbetrieb

eingesetzt oder in das Kanalnetz der Gemeinde abgeleitet.

Der Betrieb der Anlage zeigte, dass die Behandlung von

Abwasser aus der Entschlichtung mittels Membranbele-

bungsverfahren technisch möglich und auch wirtschaft-

lich ist. Die aufgrund steigender Produktionskapazitäten

notwendig werdende Kapazitätserweiterung wurde im

Jahr 2004 ebenfalls mit dem Membranbelebungsverfahren

realisiert.

Der jetzigen Abwasserreinigungsanlage laufen täglich etwa

60 m3 Abwasser mit CSB-Konzentrationen von 8.000 mg/l

bis 15.000 mg/l zu. Das Abwasser der Firma PONGS wird

in einem Misch- und Ausgleichsbecken gepuffert und

über ein Schwingsieb mit einer Trenngrenze von 100 µm

der Membranbelebungsstufe zugeführt. Das Belebungsvo-

lumen beträgt 240 m3. Die Membrananlage besteht aus

vier Doppeldeckmodulen (Plattenmodulen) der Firma A3.

Die enthaltenen Membranen haben eine Porengröße von

ca. 0,4 µm und weisen eine gesamte Fläche von 320 m2

auf.

Das aufbereitete Abwasser wird zu einem hohen Anteil

im Produktionsprozess wieder verwendet. Für die Wieder-

verwendung des gereinigten Abwassers wurden von der

Firma PONGS CSB-Konzentrationen < 200 mg/l vorgege-

ben. Diese Vorgabe wird mit CSB-Ablaufkonzentrationen

von weniger als 100 mg/l erreicht.

190

Produktions-abwasser

Gebläse-station

Membranstufe

Schwingsieb100 µm

zurProduktion

Misch- undAusgleichs-becken

zurKanalisation

Abb. 3-13

Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei der Fa. PONGS [nach A3 GMBH 2004]


In Hamminkeln-Dingden wurde 1954 die Firma Gerhard

van Clewe gegründet. 1973 erweiterte das Unternehmen

seinen Betrieb durch eine Färberei. Heute sind insgesamt

190 Mitarbeiter mit der Ausrüstung und Veredlung texti-

ler Flächen aller Art beschäftigt.

In Textilveredlungsbetrieben fallen in den Produktionsbe-

reichen Vorbehandlung, Färberei, Farbküche, Waschma-

schinen und Appretur unterschiedliche Prozessabwässer

an, deren Entsorgung steigende Kosten verursacht. Um

diese Kosten zu senken, wurde im Unternehmen van Cle-

we zunächst begonnen, den Wassereinsatz im Vered-

lungsprozess soweit wie möglich zu reduzieren. Als Folge

stiegen jedoch die Konzentrationen im Abwasser an, und

die Grenzwerte für AOX und Schwermetalle zur Einlei-

tung in die kommunale Kläranlage konnten nicht mehr

eingehalten werden.

Basierend auf den Ergebnissen zahlreicher Versuche mit

einer Pilotanlage wurde 1996 eine großtechnische Mem-

brananlage der Firma CSM Filtrationssysteme GmbH &

Co. KG, Bretten, in Betrieb genommen. Nach einer Erwei-

terung der Anlage 1997, die durch die Deutsche Bundes-

stiftung Umwelt, Osnabrück, gefördert und wissenschaft-

lich durch die Universität Wuppertal begleitet wurde,

werden heute die zwei Teilströme aus der Färberei getrennt

über die Membrananlage geführt. Mit Betriebsdrücken

zwischen 5,5 bar und 27 bar werden dabei maximal

12 m3/h Permeat gewonnen und als Recyclingwasser in

die Vorbehandlung und Färberei zurückgeführt.

Zur Aufbereitung des Teilstroms, der Abwässer aus der

Baumwollfärberei und Maschenausrüsterei enthält, dient

die dreistufige, im Crossflow-Verfahren betriebene Mem-

brananlage. Sie besteht aus den Stufen Ultrafiltration

(Bau und Auslegung durch RIK, Dülmen), Nanofiltration

und Umkehrosmose. Zur Abtrennung von Flusen und

sonstigen gröberen Teilchen ist der Ultrafiltrationsstufe

eine Siebfiltration (Discotrainer) vorgeschaltet. In der

Ultrafiltrationsstufe (Abbildung 3-14) trennen keramische

Rohrmodule der Firma atech innovations gmbh feinparti-

kuläre und gelöste, polymere Stoffe aus dem Abwasser-

strom ab. Das Filtrat wird über einen nachgeschalteten

Beutelfilter (Schutzfunktion) der Nanofiltration zugeführt.

In der Nanofiltrationsstufe wird eine Entfärbung und Teil-

entsalzung unter Einsatz von Wickelmodulen aus synthe-

191

Textilveredlung Gerhard van Clewe GmbH & Co. KG

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

2001

Senkung der Entsorgungskosten und Einhaltung der Bedingungen für Indirekteinleiter

225 m2

Rohrmodule

2,5 m3/h

Flüssigpolymer- und Tonmineralzudosierung zur Teilchenvergrößerung

(Verbesserung der Abscheidefähigkeit)


Inbetriebnahme

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1997

k. A.

Keramische Rohrmodule (UF), Wickelmodule (NF und RO)

Gesamt 12 m3/h

Siebfiltration (Discotrainer) vor der Ultrafiltration zur Abtrennung von Flusen und sonstigen gröberen

Teilchen, Beutelfilter vor Nanofiltration

Einsparung von Brauchwasser und Kostenreduzierung auf der Abwasserseite

Membranverfahren Ultrafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose

MF UF NF UO3.5.4.3


tischem Polymer der Firma Osmonics erreicht. Die Haupt-

salzmenge und der Großteil der CSB-Fracht des Abwassers

werden durch Umkehrosmose mittels Wickelmodulen aus

Polymermembranen (Fa. Osmonics) entfernt.

Der zweite Teilstrom ist kleiner und geringer belastet und

enthält Abwasser mit Pigmentfarbstoffen aus der Farbkü-

che bzw. Farbbeschichtung, Abwässer aus den Spannrah-

men sowie aus der Abluftreinigung der Spannrahmen.

Nach einer Zudosierung von Tonmineralen und Koagulie-

rungsmitteln zur Vergrößerung der Partikel und Verbesse-

rung der Abscheidfähigkeit wird dieser Teilstrom seit An-

fang 2001 über eine Mikrofiltrationsanlage gefahren,

die durch MDS Prozesstechnik GmbH ausgelegt und von

der Firma BKT Burggräf GmbH gebaut wurde. Die Anlage

wird im Crossflow-Verfahren betrieben und ist mit Rohr-

modulen (Microdyn Modulbau GmbH) aus Polymermem-

branen ausgestattet. Die gesamte Membranfläche von

50m2 bewältigt einen Permeatvolumenstrom von 2,5m3/h.

Die Rohrmodule werden periodisch rückgespült und ein-

mal pro Woche vollautomatisch chemisch gereinigt.

Das Permeat ist nach der Umkehrosmose farblos und ent-

hält lediglich noch 3 % der ursprünglichen CSB-Fracht.

Aufgrund dieser Qualität kann das Permeat aus der Mem-

brananlage (einstufig und dreistufig) als Prozesswasser

wieder verwendet werden. Dadurch wird eine Recycling-

rate von bis zu 50 % des gesamten Abwassers des Vered-

lungsbetriebes erreicht. Das anfallende Konzentrat aller

Stufen wird eingedampft, über Dünnschichttrockner

getrocknet und anschließend über eine Hausmüllverbren-

nung entsorgt.

Eine Rückspülung der Membranen ist lediglich für die Stufe

der Ultrafiltration alle drei Minuten notwendig. Bei dieser

Betriebsweise sind die Ultrafiltrationsmembranen seit

sieben Jahren ohne Leistungsverlust (Stand August 2005)

im Einsatz. Die Standzeiten der Membranen in Nanofil-

tration und Umkehrosmose betragen 1,5 Jahre. Eine Rei-

nigung der Membranen ist lediglich zum Wochenende

mit speziellen Membranreinigern erforderlich.

Neben der Gewährleistung der Indirekteinleitebedingun-

gen werden durch die Membrananlage Abwasserkosten in

Höhe von ca. 50 % durch die Kreislaufführung des Prozess-

wassers eingespart.

192

Abb. 3-14

Ultrafiltrationsanlage im Textilveredlungsbetrieb

van Clewe [BÖTTGER 2001]


Die Vulkanfiber ist ein vielseitiger Werkstoff aus nach-

wachsenden Rohstoffen. Sie wird aus ungeleimten Spezi-

alpapieren aus Baumwoll-Linters und Zellstoff durch Ein-

wirkung einer Zinkchloridlösung hergestellt und zeichnet

sich durch Antistatik, Elastizität und geringes Gewicht aus.

Die 50 Mitarbeiter der Gelderner Ernst Krüger GmbH &

Co. KG stellen unter anderem Dichtungen, Webführun-

gen und Stanzteile aus Vulkanfiber für die Automobil-,

Elektro- und Textilindustrie her. Ein wesentlicher Schritt

bei der Herstellung ist das Auswaschen des Zinkchlorids

in mehreren hintereinander geschalteten Waschbädern,

wobei Abwasser mit einer Restkonzentration von Zink-

chlorid anfällt.

Die für den Produktionsprozess benötigte Spülwasser-

menge von ca. 30.000 m3 im Jahr und die Behandlung

des zinkchloridhaltigen Abwassers mit herkömmlichen

Fällungs- und Flockungsverfahren verlangten nach

kostengünstigeren Alternativlösungen. Das Forschungsin-

stitut für Wasser- und Abfallwirtschaft e. V. (FiW) verglich

in einer Vorstudie verschiedene Verfahren und stellte den

Kontakt zu Amafilter Deutschland GmbH her.

193

Faserindustrie, Vulkanfiber

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1997

Kostengünstige Alternative zur Reduzierung der Spülwassermenge und Behandlung des

zinkchloridhaltigen Abwassers

312 m2

Wickelmodule

4 m3/h

Vorfiltration

Einsparung von Fällungs- bzw. Flockungsmitteln, Frischwasser, Abwasser und Zinkchlorid


AusgleichVerluste

5m3/h

Konzentrat1m3/h

Permeat4m3/h

ZinkchloridVerdampfer

Wasserbad Laugenbad Pergamentierbad 70% ZnCl2

Umkehrosmose

Abb. 3-15

Verfahrensfließbild der Prozesswasseraufbereitung in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG

[AMAFILTER 2001]

UO3.5.5


Seit 1997 werden aus dem anfallenden Abwasser sowohl

Reinstwassser für Spülzwecke als auch eine hochwertige

Zinkchloridlösung für das Prozessbad zurückgewonnen.

Dies wird durch eine Vorfiltration mit nachgeschalteter

Umkehrosmoseanlage (Amafilter Deutschland GmbH)

erreicht, die im Ablauf des Wasserbades ständig im Einsatz

ist (Abbildung 3-15 und Abbildung 3-16). Die Wickelmo-

dule mit einer gesamten Filterfläche von 312 m2 leisten

unter einem Betriebsdruck von 25 bar einen Permeat-

Volumenstrom von 4 m3 pro Stunde. Der Praxisbetrieb

hat gezeigt, dass die Standzeit der Membranen größer als

drei Jahre ist (bis zu sechs Jahre Standzeit). Bei dem ersten

Membranwechsel wurde auf eine andere Membran umge-

stellt, was zu einer Kapazitätserhöhung führte.

Das Permeat der Umkehrosmose hat die Qualität von voll

entsalztem Wasser und kann dem Wasserbad wieder

zugeführt werden. Das Retentat enthält das Zinkchlorid

und wird im Laugenbad der Produktion wieder einge-

setzt.

Durch den gewährten Zuschuss in Höhe von 50 % eines

Förderprogramms 3) des Landes Nordrhein-Westfalen hat

sich die Anlage nach ca. vier Jahren amortisiert.

Der Einsatz der Umkehrosmoseanlage in der kontinuier-

lichen Vulkanfiber-Herstellung, der Anschluss weiterer

Abwasserströme und des Kühlwassers an die Umkehros-

moseanlage hat wirtschaftliche und ökologische Vorteile.

So verminderte sich durch die Wasserkreislaufschließung

die Abwassermenge im Betrieb um insgesamt 80 % und der

Frischwasserbedarf um 90 % (jährlich etwa 18.000 m3).

Dadurch sinken auch die Kosten für die Frischwasserauf-

bereitung (Enthärtung von Brunnenwasser).

Außerdem werden Fällungs- und Flockungsmittel einge-

spart, und das Zinkchlorid verbleibt durch die gezielte

Wertstoffrückgewinnung im Kreislauf des Produktions-

prozesses, was den zusätzlichen Bedarf an Zinkchlorid

minimiert.

194

Abb. 3-16

Umkehrosmoseanlage in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [Foto: AMAFILTER]

3) Förderprogramm (1997 – 1999) „Initiative ökologische und nachhaltige

Wasserwirtschaft NRW“ [MURL 1996]


Seit Anfang des 20. Jahrhunderts werden bei der HT Tro-

plast AG in Troisdorf Spezial-Kunststoffe hergestellt. Heu-

te beschäftigt das Unternehmen dort 1.500 Mitarbeiter,

davon ca. 180 im Unternehmensbereich Trosifol, in dem

Sicherheitsglas-Folien für die Automobil- und Bauindus-

trie hergestellt werden. Im Herstellungsprozess wird Tro-

sifol, eine flexible Folie auf der Basis von Polyvinylbuty-

ralharz, gekühlt. Dabei gelangen ungelöste Weichmacher

(ölartig) in das Kühlwasser.

Zur Abtrennung der Weichmacher aus dem anfallenden

Prozesswasser entschied sich das Unternehmen 1998 nach

Untersuchung verschiedener Verfahren und Gesprächen

mit der Firma Amafilter Deutschland GmbH für die Inbe-

triebnahme einer Ultrafiltrationsanlage, welcher ein

Filter zur Abscheidung von Grobstoffen vorgeschaltet ist

(Grobfilter, Siebfilter, Kerzenfilter). Die Ultrafiltrationsan-

lage ist mit keramischen Rohrmodulen der Firma atech

innovations gmbh ausgestattet und wird durch einen

Wärmetauscher zur Kühlung des Wassers ergänzt (Ab-

bildung 3-17).

Im Crossflow-Verfahren bewältigt die 38 m2 große Mem-

branfläche unter einem Betriebsdruck von 4 bar stünd-

lich einen Feed-Volumenstrom von 10 m3. 95 % des Zu-

laufvolumenstroms werden als Filtrat gewonnen und in

den Wasserkreislauf zurückgeführt, das verbleibende Kon-

zentrat wird über das Abwassersystem entsorgt. Es wird

eine Standzeit der Membranen von mehr als zehn Jahren

erwartet.

Neben ökologischen bringt die Anlage auch wirtschaftli-

che Vorteile. Durch die Verringerung des Volumens und

die Wasserkreislaufführung werden Abwasserkosten ein-

gespart und gleichzeitig Grundwasserressourcen geschont,

da der Wasserverbrauch zwischen 75 % und 80 % gesenkt

werden konnte. Des Weiteren hat die sichere und war-

tungsarme Prozessführung dazu beigetragen, dass sich die

Anlage trotz der vergleichsweise hohen Investitionskos-

ten von 348.000 Euro, die durch Vollautomatisierung

und entsprechende Regeltechnik bedingt waren, bereits

nach 2,5 bis 3 Jahren amortisiert hat.

195

Abb. 3-17

Ultrafiltrationsanlage bei der HT Troplast AG

[Foto: HT TROPLAST]

Kunststoffindustrie, Troplast

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Kreislaufführung von produktberührtem Kühlwasser

38 m2


Ca. 9,5 m3/h

Grobfilter, Siebfilter, Kerzenfilter

Einsparung von Frischwasser und Reduzierung der Abwasserkosten


UF3.5.6


3.5.7

Wäschereien

Das Abwasser aus Wäschereien kann mit gefährlichen

Abwasserinhaltsstoffen belastet sein und wird heute über-

wiegend mit oder ohne Vorbehandlung in kommunale

Kläranlagen eingeleitet. Vereinzelt gibt es noch Wäsche-

reien, die das Abwasser ungeklärt in Vorfluter einleiten

[GUTSCH, HEIDENREICH 2001]. Zur Aufbereitung von

gering belastetem Abwasser aus Wäschereien (z. B. aus der

Wäsche von Krankenhaus- und Hoteltextilien) mit an-

schließender Kreislaufführung kommen derzeit neben

biologischen Reinigungssystemen und deren Kombinatio-

nen mit chemischen Fällungsverfahren vor allem Mem-

branfiltrationsverfahren zur Anwendung [MENGE 2001].

Anlagen zur Kreislaufschließung in Wäschereien bestehen

entweder aus einer Kombination von Mikrofiltration und

Nanofiltration oder aus einem Umkehrosmosesystem

[MENGE 2001].

Für Abwasser, das direkt in ein Gewässer eingeleitet wird

und dessen Schmutzfracht im Wesentlichen aus dem

Waschen von verunreinigten Textilien, Teppichen, Matten

und Vliesen in Betrieben und öffentlichen Einrichtungen

stammt, gilt Anhang 55 der Abwasserverordnung [ABWV

2002]. Für Abwasser aus der Chemischreinigung von Tex-

tilien, Teppichen und Waren aus Pelzen und Leder hat

Anhang 52 der Abwasserverordnung [ABWV 2002] Gül-

tigkeit.

196

Wäscherei ALSCO

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2000

Abwasserbehandlung

44 m2

Rohrmodule

6,5 m3/h

Rüttelsieb

Vorbehandlung der Nanofiltration


Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2000

Abwasseraufbereitung

180 m2

Wickelmodul

ca. 6 m3/h

Ultrafiltration

Einsparung von Frisch- und Abwasserkosten


UF NF3.5.7.1


Die Fa. ALSCO betreibt seit Mai 2000 eine gewerbliche

Wäscherei am Standort Kaiserslautern. Das Wäscheauf-

kommen wird entsprechend dem Verschmutzungsgrad

speziellen Maschinengruppen zugeordnet, so dass die

verschiedenen Abwasserteilströme separat erfasst und

behandelt werden können (Abbildung 3-18).

Das Abwasser aus dem Teilstrom „Matten/Blauwäsche“

setzt sich aus 30 m3/d Abwasser aus der Blauwäsche sowie

45 m3/d aus der Mattenwäsche zusammen. Bei einem Be-

trieb über 5 Tage in der Woche ergibt sich eine jährliche

Abwassermenge aus der „Matten/Blauwäsche“ von

18.750 m3.

Der Teilstrom aus der„Weißwäsche“ stammt aus der Be-

rufsbekleidungs-, Flach- und Handtuchwäsche und beträgt

ca. 95 m3/d. Dieses Abwasser wird gesammelt und einem

Kühlturm zur Temperaturreduzierung zugeführt. Im An-

schluss erfolgt eine Neutralisationsstufe mittels CO2. Das

so gereinigte Abwasser der Weißwäsche wird über die Ka-

nalisation einer kommunalen Kläranlage zugeführt.

Das Abwasser des Teilstromes „Blau- und Mattenwäsche“

wird in einem unterirdischen Becken mit einer Größe

von ca. 5 m3 gesammelt. Von dort wird es zur Abtren-

nung von Flusen und sonstigen gröberen Teilchen über

ein Rüttelsieb geführt. Nach dem Rüttelsieb wird das

Abwasser über einen Kondensationskühlturm auf eine

Temperatur von 38 °C gekühlt und in einen ca. 65 m3 fas-

senden, belüfteten Mengenausgleichsbehälter gefördert.

Von dort wird das Abwasser dem ebenfalls 65 m3 fassen-

den Belebungsreaktor zugeführt.

Im Anschluss an die Belebungsstufe wird das Abwasser

bzw. der Belebtschlamm in der Cross-Flow-Ultrafiltrations-

anlage auf ca. 4 % Feststoffgehalt eingedickt. Im Mittel

werden 10 m3/Monat als Nassschlamm in einer Kläranlage

der chemischen Industrie entsorgt.

Die Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 3-19) ist mit

vier Druckrohren je 11 m2 Membranfläche sowie zwei

Leerrohren für eine spätere Erweiterung ausgerüstet. Die

eingesetzten Membranmodule sind mit organischen Rohr-

membranen der Fa. Berghof mit einem freien Strömungs-

kanal von 10,2 mm bestückt. Der Permeatvolumenstrom

beträgt ca. 6,5 m3/h.

197

Wasch-wasser Sammel-

beckenNeutrali-sation

Weißwäsche

Rezirkulation (RZ)

Blau- undMatten-wäsche

Sammel-becken

Mengen-ausgleichs-becken

Belebungs-becken

Kühlturm Kanalisation

Nano-filtration

Ultra-filtration

KühlturmRüttelsieb

Konzentrat-schlamm

KonzentratzurKanalisation

Prozesswasserrückführung

Gebläse-station

Abb. 3-18

Verfahrensschema der Abwasserbehandlung in der Wäscherei ALSCO [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004]


Die CSB-Konzentration im Abwasser der Matten/Blau-

wäsche beträgt im Mittel 2.800 mg/l und maximal

5.000 mg/l. Im Permeat der Ultrafiltration liegen die CSB-

Konzentrationen zwischen 80 mg/l und 150 mg/l. Da im

Waschprozess vollständig auf den Einsatz von Chlor-

bleichlauge verzichtet wird, spielen AOX-Verbindungen

im Abwasser der Wäscherei ALSCO keine Rolle. Das Per-

meat der Ultrafiltration erfüllt die Anforderungen nach

Anhang 55 der Abwasserverordnung und kann in die ört-

liche Kanalisation eingeleitet werden. Der spezifische

Energieverbrauch der Ultrafiltrationsanlage beträgt etwa

4,0 kWh je m3 Permeat.

Um die Frisch- und Abwasserkosten am Standort der

Wäscherei ALSCO zu reduzieren, wird das über die Ultra-

filtrationsanlage gereinigte Abwasser in einer einstufigen

Nanofiltrationsanlage mit Wickelmodulen der Fa.Desal

weiter aufbereitet. Das Permeat wird wieder als Wasch-

wasser eingesetzt und das Konzentrat (10 bis 15 m3/d)

unter Einhaltung der Indirekteinleitervorschriften und

der örtlichen Abwassersatzung mit dem Abwasser der

Weißwäsche in die kommunale Kläranlage abgeleitet.

Die Kosten für die Reinigung der Ultrafiltrationsmem-

branen betragen etwa 1 bis 2 Cent pro m3 Permeat.

Die Standzeit der UF-Membranen ist mit vier bis sechs

Jahren kalkuliert worden. Bei einer Standzeit von vier

Jahren werden Membranwechselkosten von ca. 15 Cent

je m3 Abwasser erforderlich.

Die spezifischen Betriebskosten der Ultrafiltrationsanlage

als Summe aus Energie-, Membranwechsel-, sowie Reini-

gungskosten betragen nach Angaben des Lieferanten der

Anlage (WEHRLE UMWELT GMBH) etwa 0,40 s/m3 Ab-

wasser.

198

Abb. 3-19

Membrananlage in der Wäscherei ALSCO [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004]

links: Ultrafiltrationsanlage; rechts: Gesamtanlage


Der Textilservice Mewa reinigt am Standort Groß Kienitz

stark verschmutzte Berufsbekleidung aus den Bereichen

Metallindustrie, Maschinenbau, Kraftfahrzeugbetriebe

etc. Aufgrund gesetzlicher Auflagen wurde im Jahr 1997

eine Verfahrensergänzung zur Behandlung der Abwässer

erforderlich. Vor der Indirekteinleitung in die öffentliche

199

Textilservice Mewa GmbH

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Kreislaufführung von Waschwasser

60 m2

Keramikrohrmodule

ca. 4 m3/h

Vorfiltration/Flusensieb

Reduzierung des Frischwasserbedarfs und Einsparung von Waschmitteln


Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Kreislaufführung von Waschwasser

135 m2

Wickelmodule

ca. 1,5 m3/h

Ultrafiltration

Reduzierung des Frischwasserbedarfs


VorfiltrationPuffer undFällung

Ultra-filtration 1

1,5 m2/hRecyclingwasser 1für Vor- undHauptwäsche

Konzentrat zurexternen Verbrennung

Konzentrat-speicher

Ultra-filtration 2

Kanalisation

Nano-filtration

1,5 m2/hRecyclingwasser 2für SpülwasserHauptwäsche

Abb. 3-20

Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage der Textilservice Mewa GmbH [nach ENVIRO CHEMIE 2004]

UF NF3.5.7.2


Kanalisation sind im Wesentlichen Schwermetalle und

Kohlenwasserstoffe gemäß Anhang 55 der Abwasserver-

ordnung zu entfernen.

Seit 1998 wird am Standort der Wäscherei eine Aufberei-

tungsanlage betrieben, mit der 100 m3/d Wäschereiab-

wasser so weit gereinigt werden, dass eine Wiederverwen-

dung im Waschprozess möglich ist. Abbildung 3-20 zeigt

das Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage.

Das Abwasser wird über eine Vorfiltration und eine Fäl-

lung in die erste Ultrafiltrationsstufe geleitet, die aus

sechs Modulen mit 47 Keramikstäben pro Rohrmodul

besteht (Abbildung 3-21).

Durch die Filtration über die gesamte Membranfläche

von ca. 60 m2 wird ein Permeatvolumenstrom von etwa

4 m3/h erreicht. Etwa 30 % des Permeatvolumenstroms

werden als Recyclingwasser 1 wieder eingesetzt. Das Recy-

clingwasser 1 muss den Anforderungen CSB < 1.000 mg/l

und Restgehalt an Mineralölen < 20 mg/l genügen. Auf-

grund der organischen Restbelastung kann es nur be-

schränkt für Waschprozesse in der Vor- und Hauptwäsche

wiedereingesetzt werden. Durch den hohen Tensidanteil

im Recyclingwasser können aber rund 20 % der Wasch-

mittel eingespart werden.

Das verbleibende Permeat der ersten Ultrafiltrationsstufe

wird in einer nachgeschalteten Nanofiltrationsanlage

aus Wickelmodulen mit einer Membranfläche von 135 m2

weiter aufbereitet (Abbildung 3-22).

Pro Stunde werden ca. 1,5m3/h Permeat erzeugt (Recycling-

wasser 2). Das Recyclingwasser 2 ist soweit aufbereitet

(siehe Tabelle 3-4), dass es für Spülprozesse der Haupt-

wäsche eingesetzt wird und damit den Frischwasserbedarf

weiter senkt.

Die Gesamtrecyclingquote des anfallenden Abwasservolu-

menstroms beträgt mit dieser mehrstufigen Abwasserbe-

handlung etwa 70 %.

200

Abb. 3-22

Nanofiltrationsanlage in der Textilservice

Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004]

Abb. 3-21

Ultrafiltrationsanlage in der Textilservice

Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004]


3.5.8

Metall verarbeitende Industrie

In der Metall verarbeitenden Industrie werden vorzugs-

weise Metall-, aber auch Nichtmetalloberflächen (soweit

diese metallisiert werden) mit wässrigen Lösungen, Emul-

sionen, Aufschlämmungen, aber auch mit Salzschmelzen

behandelt (mechanisch, chemisch, elektrochemisch und

thermisch). Die dabei anfallenden Abwässer sind vielfältig,

vorwiegend mit anorganischen Inhaltsstoffen belastet

und durch ihren hohen Metallgehalt charakterisiert. Des

Weiteren sind organische Stoffe wie Mineralöle, besonders

in den Kühlschmiermitteln, Mineralfette, Lackbestand-

teile, Chlorkohlenwasserstoffe und andere Lösungsmittel

enthalten.

Für die Ableitung von Abwasser aus dem Metallgewerbe

sind der Anhang 40 der Abwasserverordnung [ABWV

2002] bzw. die Anforderungen der Ortsatzung und Indi-

rekteinleiterverordnung maßgebend. Die Einhaltung der

Grenzwerte ist nur nach einer innerbetrieblichen Aufbe-

reitung der Prozessabwässer möglich, anderenfalls müssen

diese kostenintensiv als Sonderabfall entsorgt werden.

Die Senkung von Kosten (für Entsorgung und Rohstoffe)

ist in erster Linie auch die Motivation eines Unterneh-

mens für den Kauf einer innerbetrieblichen Prozess- oder

Abwasserbehandlungsanlage, die gleichzeitig einen Bei-

trag zum Umweltschutz leistet. Eine Möglichkeit zur Ver-

ringerung der Entsorgungsmenge und damit der Entsor-

gungskosten ist die Aufbereitung bzw. Aufkonzentrierung

der flüssigen Abfälle mittels Membranfiltration und

Vakuumverdampfung [SPECHT 1997]. Das gewonnene

Permeat kann eventuell im Kreislauf geführt und erneut

innerbetrieblich genutzt werden. Bei vollständiger

Wiederverwendung des Permeats und des Konzentrats

wird ein abwasserfreier Betrieb erreicht. Allerdings ist es

nicht möglich, einen abwasserfreien Betrieb „von der

Stange“ zu erwerben, da sowohl die Aufbereitungstechnik

als auch die Fertigungshilfsstoffe, wie z. B. Reinigungsmit-

tel, aufeinander abgestimmt und an die Produktionsanla-

gen angepasst werden müssen [SPECHT 1997]. Umfang-

reiche Vorversuche helfen, Fehler zu vermeiden und

Kosten zu sparen.

201

CSB mg/l 100

Leitfähigkeit µs/cm 500

Keime KBE/ml 100

Tab. 3-4

Qualität des Recyclingwassers 2 [ENVIRO CHEMIE 2004]

Parameter Einheit Konzentration


Die Rasselstein Hoesch GmbH mit Sitz in Andernach und

Produktionsstätten in Andernach und Dortmund nimmt

eine Spitzenposition unter den europäischen Weißblech-

herstellern ein. Weißblech ist kaltgewalztes Feinstblech mit

einer Dicke zwischen 0,12 mm und maximal 0,49 mm

und wird in erster Linie als Verpackungsmaterial ver-

wendet.

Beim Kaltwalzprozess wird Palmfett eingesetzt, das vor

der Weiterverarbeitung durch ein Entfettungsverfahren

wieder entfernt werden muss. Das dabei entstehende Ab-

wasser ist durch das Palmfett organisch belastet. Diese

Abwasserbelastung, die in regelmäßigen Abständen not-

wendige Reinigung der Entfettungsanlage und der Neu-

ansatz des Entfettungsbades benötigen erhebliche Men-

gen an Entfettungsmittel.

Diese Gründe führten 1999 in Zusammenarbeit mit der

Membran-Filtrations-Technik-GmbH (MFT) zur Inbetrieb-

nahme einer Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 3-23).

Keramische Rohrmodule entfernen bei einem Betriebs-

druck zwischen 6 und 8 bar den störenden Palmfettanteil

in den Entfettungsbädern. Die 4,56 m2 große Ultrafiltra-

tionsmembran bewältigt einen Feed-Volumenstrom von

1 m3 pro Stunde und wird automatisch alle 120 Stunden

gereinigt (zuerst alkalisch, dann sauer und anschließend

Spülung mit Wasser). Die Anlage läuft bereits seit sechs

Jahren (Stand September 2005), wobei die Membranen

nach fünf Jahren ausgetauscht wurden.

Das erzeugte Filtrat (ca. 90 % des Feed) wird als saubere

Entfettungslösung direkt in das Bad zurückgeführt, wäh-

rend das Konzentrat der Walzfettaufbereitung zugeführt

und anschließend thermisch entsorgt wird.

Nach anfänglichen Betriebsschwierigkeiten zeigen sich die

Vorteile der Anlage: Bei gleichbleibender Qualität des Pro-

zessbades fallen durch die Kreislaufführung 9m3 pro Stunde

weniger Abwasser an, und gleichzeitig werden Trinkwas-

ser und Chemikalien eingespart. Des Weiteren ist die

Reduzierung der CSB-Fracht (um 24 %) und damit auch

der Entsorgungskosten zu nennen. Die Gesamtinvestition

von 358.000 Euro hatte sich nach weniger als zwei Jahren

amortisiert.

202

Metall verarbeitende Industrie,

Rasselstein Hoesch GmbH

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1999

Reduzierung der Abwasserbelastung mit Palmfett bzw. Reduzierung der Reinigungen

der Entfettungsanlage und des Neuansatzes der Entfettungsbäder

4,56 m2


1 m3/h (ca. 90 % des Feed werden als Filtrat gewonnen)

Keine

Einsparung von Frischwasser und Chemikalien, Reduzierung der Abwassermenge

und der Entsorgungskosten


Abb. 3-23

Ultrafiltrationsanlage im Unternehmen Rasselstein

Hoesch [Foto: MFT GMBH]

UF3.5.8.1


matisierungstechnik GmbH (Abbildung 3-24) geleitet

wird.

Die Ultrafiltrationsanlage trennt seit Oktober 2000

weiteres Öl nach einem patentrechtlich geschützten

Crossflow-Verfahren über Rührorgane (Atec-Overflow-

System) ab. Die eingesetzten Flachmembranen aus Kunst-

stoff mit einer Trenngrenze von 30.000 Dalton sind auf

Edelstahlstützkörper gewickelt. Die gesamte Filterfläche

beträgt 1,1 m2 und leistet unter einem Betriebsdruck von

203


Faurecia Betrand Faure Sitztechnik

Abb. 3-24

Ultrafiltrationsanlage in der Fa. Faurecia, Bertrand

Faure Sitztechnik GmbH & Co. KG [KASTEN 2001]

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

Oktober 2000

Einsparung von Kosten durch Standzeitverlängerung der Entfettungsbäder und

Gewährleistung einer gleichbleibenden Produktqualität

1,1 m2

Flachmembranen auf Edelstahlstützkörper gewickelt

0,3 m3/h

Fett- und Ölabscheidung

Einsparung von Frischwasser, Abwasser und Entfettungschemikalien sowie Reduzierung

der Abwassergebühren


Die Faurecia Autositze GmbH & Co. KG hat sich zu einer

internationalen Unternehmensgruppe entwickelt, welche

die Automobilindustrie beliefert. Die gesamte Faurecia

Gruppe unterhält heute ca. 100 Werke in 25 Ländern. Im

Werk Stadthagen fertigen ca. 800 Mitarbeiter Metallbe-

schläge und Sitzkomponenten (Sitz- und Lehnengestelle)

für die Automobilindustrie.

Die Beschichtung mit einer Kathodischen-Tauch-Lackie-

rung auf den Gestellen setzt eine vorherige Entfettung

mit speziellen Entfettungschemikalien voraus. Die von

den Metalloberflächen entfernten Verunreinigungen

gelangen in das Entfettungsbad und verringern kontinu-

ierlich die Reinigungsleistung, bis ein ausreichender Rei-

nigungserfolg nicht mehr erreicht wird und das Entfet-

tungsbad erneuert werden muss.

Die Einsparung von Kosten durch die Verlängerung der

Standzeit der Entfettungsbäder und Gewährleistung einer

kontinuierlichen Qualität führten im Unternehmen Fau-

recia zum Einsatz einer Verfahrenskombination mit

Membrantechnik. Zur Vorbehandlung des Abwassers aus

der Entfettung der Sitzgestelle dient ein Becken, in wel-

chem Fette und Öle aufschwimmen und schwere Schmutz-

partikel und Metallschlämme gesammelt und durch eine

separate Ablassvorrichtung wöchentlich separiert werden.

Nach einer Verweildauer von drei Stunden ist der Ölgehalt

in dem Öl-Wasser-Gemisch auf 0,2 % gesunken, welches

dann in die Ultrafiltrationsanlage der Firma Atec Auto-

UF3.5.8.2


2 bar einen filtratseitigen Volumenstrom von 0,3 m3 pro

Stunde. Die Membranen werden wöchentlich zweimal

gereinigt und nach ca. 12 Monaten ausgewechselt. Da

das Filtrat in den Prozesskreislauf zurückgeführt wird,

muss lediglich das anfallende Konzentrat entsorgt wer-

den. Mit dieser Betriebsweise verlängerte sich die Stand-

zeit der Entfettungsbäder von zwei Wochen auf sechs

Monate.

lich waren. Aus diesem Grund wurde in Zusammenarbeit

mit der Universität Bielefeld und später mit der Universität-

Gesamthochschule Paderborn mit Förderung der Bundes-

stiftung Umwelt, Osnabrück, eine Membran-Elektrolyse-

Anlage (genannt Chromdialysator) entwickelt, die seit

1993 abwasserfrei arbeitet und zur Eisenrückgewinnung

und Chromoxidation dient. Durch diese Anlage der

Fa. Atotech erreichen die Chrombäder eine theoretisch

unbegrenzte Standzeit.

Bei der Membran-Elektrolyse finden sowohl ein Trans-

port geladener Teilchen durch ionenselektive Membranen

als auch Elektrodenreaktionen wie Reduktion bzw. Oxida-

tion statt (siehe Abbildung 3-25).

Die ionenselektive Membran trennt den Anolyten (Chrom-

säure) vom Katholyten (Polycarbonsäure). Nur die Katio-

nen, wie z. B. die metallischen Verunreinigungen, kön-

In dem seit 1979 von Inhaber Klaus Wickbold geführten

Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke in Bielefeld-Sennestadt

sind heute 14 Mitarbeiter im Bereich der technischen

Hartverchromung tätig. Die Werkstücke, welche zum Teil

Sonderanfertigungen für Auftraggeber aus allen Branchen

sind, werden durch die Verchromung gegen Verschleiß

und Korrosion geschützt. Während des Verchromungs-

vorgangs gelangen durch Ätzen von der Werkstückober-

fläche abgetragene Metallkationen, vor allem Eisen und

Chrom(III), in den Elektrolyten. Dies wirkt sich negativ

auf die Anwendungsqualität aus und erfordert eine stän-

dige Reinigung bzw. eine regelmäßige Entsorgung und

einen Neuansatz der hochgiftigen Lösungen.

Bisher wurde für die Reinigung der Lösung ein Kationen-

austauscher eingesetzt, wobei jedoch große Mengen

schwermetallbelastetes Abwasser anfielen, zu deren Ent-

sorgung wiederum große Mengen Chemikalien erforder-

Die Ultrafiltrationsanlage hat neben umweltrelevanten

auch wirtschaftliche Vorteile durch die Einsparung von

Entfettungschemikalien, Wasser und Abwasser. Der Che-

mikalienbedarf reduziert sich um 85 %, der Wasserbedarf

um 90 %, und auch die Entsorgungskosten sind um 90 %

geringer, so dass sich die Anlage laut Berechnung des Ver-

antwortlichen für Oberflächen- und Umwelttechnik in

weniger als zwei Jahren amortisiert haben wird.

204

3.5.8.3


Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche1)

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1993

Standzeitverlängerung der Elektrolytlösung und Reduzierung des Chemikalienverbrauchs

Ca. 0,25 m2

2 Zellen pro Dialysator (Standard)

k. A.

keine

Einsparung von Frischwasser, Reduzierung des Chemikalienbedarfs,

Verringerung der Schwermetallschlammmenge

Membranverfahren Membran-Elektrolyse

1) Die Ausbeute des Chromdialysators ist in erster Linie nicht von der Membrangröße abhängig, sondern von der Strommenge, und der begrenzende Faktor

ist die Stromdichte. Wird diese zu groß, kommt es zur Zerstörung der Membran.


nen die Membran passieren. Aufgrund der angelegten

Spannung werden die Kationen durch die Membran zur

Kathode transportiert und dort reduziert und als Metall

abgeschieden. Gleichzeitig wird das im Verchromungs-

prozess reduzierte Chrom (Cr3+) an der Anode oxidiert

(Cr6+ ) und in den Kreislauf zurückgeführt. Da diese Oxi-

dation schneller abläuft als der Ionentransport Richtung

Kathode, passiert nur ein sehr kleiner Anteil des Chroms

die Membran.

Gegenüber der vorher eingesetzten Kationenaustauscher-

anlage wird der jährliche Wasserverbrauch um 28.000 m3

und der Chemikalienbedarf um 25.000 kg gesenkt. So

werden jährlich nur noch 750 kg unbedenklicher Zitro-

nensäure statt 10.000 Liter Schwefelsäure eingesetzt und

7,5 t Schwermetallschlamm vermieden. Neben diesen

umweltrelevanten Vorteilen resultiert aus der Umstellung

auf kontinuierliche Beschichtungsverfahren bei gleichzei-

tiger Qualitätssicherung eine Reduzierung des jährlichen

Stromverbrauchs um 10 %.

Im Jahr 1997 wurde für das Membran-Elektrolyse-Verfahren

ein Europäisches Patent erteilt. Die Membran-Elektrolyse

ist nicht nur für Chrombäder, sondern für eine große

Anzahl weiterer Verfahren (Chromatierungen, Beizen)

anwendbar.

Als Ergänzung zur Membran-Elektrolyse-Anlage ist die

Fa. Jatzke mit einem computergesteuerten Kühlwasserkreis-

lauf und einer Vakuumverdampfung für das Spülwasser

ausgestattet. Die Fa. Jatzke wurde im Jahr 2000 mit dem

ersten Preis der Effizienz-Agentur NRW (EFA) für produk-

tionsintegrierten Umweltschutz ausgezeichnet.

205

Anode

Chrombad (Anolyt)M

etal

lisch

e V

erun

rein

igun

gen

Kathode

Membran

Fe3+

Cu2+

Zn2+

Ni2+

(Cr3+)

Cr6+

Cr3+

Abb. 3-25

Funktionsweise der Membran-Elektrolyse

[SCHMIDT 2002]


Das Werk Langenberg der Wieland-Werke AG ist ein Kalt-

walzbetrieb, in dem 361 Mitarbeiter mit der Weiterverar-

beitung von Vorwalzbändern aus Kupfer und Kupferlegie-

rungen zu Fertigprodukten von hochwertiger Qualität

(u. a. für die Elektronikindustrie) beschäftigt sind.

Nach jedem Walzen werden den Bändern in Glüh- und

Beizanlagen die notwendigen Eigenschaften verliehen.

Anschließend reinigen Bürstmaschinen mechanisch die

Oberfläche der Bänder. Das Abwasser aus diesen Bürstma-

schinen (ca. 80 m3/h) wurde früher zusammen mit ande-

ren Betriebsabwässern durch Neutralisation, Fällung/Flo-

ckung und Kiesfiltration aufbereitet und ein Teilstrom

hiervon in den Betrieb zurückgeführt. Stündlich mussten

jedoch noch 46 m3 Abwasser über die öffentliche Kanali-

sation abgeleitet und durch frisches Wasser aus einem

Fließgewässer ersetzt werden.

Im Jahr 1998 wurde im Werk Langenberg in Kooperation

mit der Dr.-Ing. Peters Consulting für Membrantechnolo-

gie und Umwelttechnik (CMU), Neuss, und der RWW

Wassertechnologie GmbH, Nettetal, sowie einem Zuschuss

des Landes Nordrhein-Westfalen4) ein durch ausführliche

Pilotierung bestätigtes Konzept zur Wasser-Einsparung

realisiert. Gemäß diesem wird das Abwasser aus den

Bürstmaschinen nach Durchlauf eines Papierband- und

Kerzenfilters mit Ultrafiltration im Dead-End-Betrieb

gereinigt. Jede der in dieses Konzept eingebundenen vier

Bürstmaschinen bildet mit einer Ultrafiltrationsanlage

(Abbildung 3-26) einen internen „örtlichen“ Wasserkreis-

lauf. Die pro Anlage installierten Kapillarmodule von X-

Flow haben eine gesamte Filterfläche von 44 m2 und pro-

duzieren bei einem transmembranen Druck von bis zu

max. 1 bar bis zu 6 m3 Filtrat pro Stunde. Dieses Filtrat

wird wieder in den Bürstmaschinen eingesetzt.

Das partikelhaltige Rückspülwasser (je Anlage 0,5 m3/h)

aus der Rückspülung der Ultrafiltrationsanlage wird dem

betriebsinternen Wasserkreislauf zugeführt. Dadurch ver-

ringern sich die Wassermenge im Betriebskreislauf, der

Frischwasserbedarf sowie der Verbrauch an Neutralisa-

tions- und Fällungsmitteln bei der Abwasserbehandlung

um 60 %. Der anfallende kupferhaltige Schlamm wird in

der Hüttenindustrie verwertet.

206

Metall verarbeitende Industrie, Wieland Werke AG

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Wassereinsparung

44 m2

Kapillarmodule

bis 6 m3/h

Papierbandfilter, Kerzenfilter

Einsparung von Frischwasser und Reduzierung der Abwassermenge


Inbetriebnahme

Ziele

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2001

Wassereinsparung

Kissenmodule

ca. 24 m3/d

Ultrafiltration

Einsparung von VE-Wasser und Reduzierung der Abwassermenge


4) Förderprogramm (1997 – 1999) „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft NRW“

UF UO3.5.8.4

Abb. 3-26

Ultrafiltrationsanlage im Werk Langenberg

der Wieland Werke AG [MUNLV 2001]


Nach erfolgreichem Abschluss einer durch ROCHEM UF-

Systeme GmbH, Hamburg, und CMU, Neuss, begleiteten

Pilotierungsphase zur Entsalzung des Filtrates aus diesen

Ultrafiltrationsanlagen mittels Niederdruck-Umkehros-

mose wurden in 2001 die Wasserkreisläufe an den Bürst-

maschinen durch entsprechende Anlagen erweitert. Diese

sind mit dem FM (Flach-Membran)-Modul ausgerüstet,

einem Kissenmodul. Das Permeat ist weitestgehend ent-

salzt und trägt zur Einsparung von hochpreisigem, voll-

entsalztem (VE-) Wasser für den Nachspülvorgang bei.

Die Anwendung der Ultrafiltration im Dead-End-Betrieb

und der Niederdruck-Umkehrosmose im vorgestellten

Unternehmen ist erstmalig für ein Nichteisen-Kaltwalz-

werk und stellt in dieser Branche eine Verbesserung des

Standes der Technik dar.

Die umweltrelevanten Investitionen (229.800 Euro, vom

Land NRW mit 100.000 Euro bezuschusst) bringen Vor-

teile: Neben der Abwassermenge, die jetzt nur noch ca.

4 m3/h beträgt, wurde auch der Wasserverbrauch durch die

interne Kreislaufführung deutlich (bis zu 90 %) reduziert.

Des Weiteren werden durch den Einsatz der Ultrafiltra-

tion sowie der Niederdruck-Umkehrosmose die partikulä-

ren und gelösten Stoffe aus den einzelnen Wasserkreisläu-

fen weitestgehend entfernt, so dass durch die verbesserte

Wasserqualität eine zuverlässig reproduzierbare hohe

Reinheit der Oberflächen der Endprodukte erreicht wird.

207


Im Werk Düsseldorf der DaimlerChrysler AG sind 5.400

Mitarbeiter an der Herstellung von Transportern beteiligt.

Für die Lackierung der Fahrzeug-Karosserie werden insge-

samt drei Lackschichten in jeweils gesonderten Prozes-

sen aufgetragen. Die zweite Lackschicht, der sogenannte

Füller, federt Steinschläge ab und gleicht kleine Unregel-

mäßigkeiten im Blech aus.

Beim Aufsprühen des Füllers auf die Karosserie über ein

druckluftbetriebenes Handsprühsystem geriet im früheren

Verfahren die Hälfte des Lacks als „Overspray“ neben die

Karosserie. Dieser musste als ausgeflockter und entwässer-

ter Lackschlamm kostenintensiv entsorgt werden.

Durch die Umstellung des Lackier-Verfahrens wurde der

Anteil des Overspray deutlich reduziert und gleichzeitig

ein wasserlöslicher Lack eingesetzt, der im geschlossenen

Kreislauf geführt und durch ein Lackrecycling-Verfahren

wieder verwertbar wird.

Wichtiger Bestandteil der 1998 in Betrieb genommenen

Recyclinganlage (Fa. Eisenmann Lacktechnik KG) für

wasserlösliche Lacke ist neben einer Vorfiltration und che-

mischen Konditionierung die Ultrafiltrationsanlage

(Abbildung 3-27). Darin trennen Plattenmodule aus Poly-

mermembranen (Firma Rhodia) bei einem Betriebsdruck

zwischen 3,5 und 4,5 bar die Lackpartikel von der Wasser-

phase.

Abhängig vom Feststoffanteil bewältigt die 30 m2 große

Membranfläche stündlich einen Permeatvolumenstrom

zwischen 1.060 und 1.400 l. Nach ein bis zwei Wochen

werden die Membranen gespült und einmal jährlich

mechanisch gereinigt. Pro Jahr werden 10 Prozent der

Membranfläche ausgewechselt. Das gewonnene Filtrat

wird zur Qualitätsverbesserung des System-Umlaufwassers

verwendet, während das Konzentrat als recycelter, voll-

wertiger Lack erneut zur Lackierung der Karosserien ein-

gesetzt wird.

208

3.5.9

Lackwasseraufbereitung

Lackwasseraufbereitung DaimlerChrysler

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Reduzierung der Entsorgungskosten für Lackschlämme

30 m2

Plattenmodule

1,0 – 1,4 m3/h

Vorfiltration, chemische Konditionierung

Einsparung von Lack, Reduzierung von Transportwegen durch Wegfall von Lackschlamm


Abb. 3-27

Ultrafiltrationsanlage bei DaimlerChrysler in

Düsseldorf [HARMEL 2001]

UF3.5.9.1


Der Einsatz der Membrantechnik für das Lackrecycling

zeigt, dass ökologische Vorteile gleichzeitig auch von

ökonomischem Nutzen sein können. Jährlich werden

durch die Wiederaufbereitung ca. 30 t Lack eingespart.

Außerdem entfällt die Entsorgung der bisher angefallenen

50 t Lackschlamm (70 % dieser Lackierlinie), wodurch

zusätzlich Transportwege eingespart werden. Neben dem

umweltrelevanten Aspekt sind diese Einsparungen so

groß, dass sich die Investitionen von rund 358.000 s

nach voraussichtlich dreieinhalb Jahren amortisiert

haben werden.

209

Lackwasseraufbereitung aus der Ersatzteilfertigung

im Ford Werk Köln

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2001

Wertstoffrückgewinnung und Wiedereinsatz von Permeat und Konzentrat im Produktionsprozess

k. A.

k. A.

ca. 2 m3/h

Feinsieb

Geringerer Frischwasserverbrauch, geringere Frachten im Abwasser,

reduzierte Chemikalienkosten, Senken der Gesamtkosten


Konzentrat zur Einleitung

zu lackierende Autoteile

UF NFRO UF

SpülbäderKTLSpülbäderSpülbäderEntfettung Phosphatierung

1. Schritt: Entfettung 2. Schritt: Phosphatierung 3. Schritt: Lackierung

Abb. 3-28

Verfahrensschema der Lackierung [IMB+FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004]

NF3.5.9.2


210

Im Anschluss an die Entfettung werden die Fahrzeugteile

einer Phosphatierung unterzogen und anschließend ge-

spült. Die Prozessabwässer aus der Spülung werden bereits

seit 2001 über eine Nanofiltrationsanlage aufbereitet, um

Schwermetalle und Phosphate zu recyceln. Das Konzen-

trat wird wieder in der Phosphatierung eingesetzt und

das Permeat mit Additiven zur Spülung der Automobiltei-

le nach der Entfettung verwendet. Über die Nanofiltra-

tionsanlage (Abbildung 3-29) werden rund 2 m3/h Prozess-

abwässer behandelt. Die Standzeit der Membranen be-

trägt etwa drei Jahre.

Durch den Betrieb der Nanofiltrationsanlage konnten der

Frischwasserverbrauch gesenkt, die Abwasserfrachten

reduziert und der Chemikalieneinsatz verringert werden.

Die Gesamtkosten des Prozessablaufs konnten so um

15 % gesenkt werden.

Das vorgestellte Verfahrenskonzept sieht als abschließen-

den Schritt auch die Kreislaufführung des Anolyten in der

Lackierung (kathodische Tauchlackierung – KTL) mittels

ein- oder mehrstufiger Umkehrosmose und die Standzeit-

verlängerung der KTL-Bäder durch die Aufbereitung der

Badflüssigkeit mittels einer Ultrafiltrationsanlage vor. Die

Realisierung dieser Maßnahmen zur weiteren Reduzie-

rung des Frischwasserbedarfs und zur Senkung des Che-

mikalieneinsatzes ist geplant.

Die Behandlung und das Recycling einzelner Prozesswas-

serströme bietet sich in der Automobilindustrie an, da

kleine Volumenströme effektiv behandelt und zusätzlich

Wertstoffe zurück gewonnen werden können. Diese Wert-

stoffe sind u. a. in den Prozesswasserströmen enthalten,

die bei der Lackierung von Automobilteilen anfallen.

Für die Ersatzteilfertigung der Ford Werke GmbH in Köln

wurde von der Firma imb+ frings watersystems gmbH in

Kooperation mit der Henkel Surface Technologies ein

Verfahrenskonzept zum Wasser- und Wertstoffrecycling

für Prozesswasserströme aus der Lackierung erarbeitet,

das schrittweise umgesetzt wird. Das Konzept sieht vor,

die Prozesswässer aus der Entfettung, der Phosphatierung

und der Lackierung jeweils separat zu behandeln (Abbil-

dung 3-28). Die Behandlung der Abwässer aus der Phos-

phatierung mittels Nanofiltration ist bereits umgesetzt.

Die Prozessabwässer aus dem Entfettungsbad zur Reini-

gung der Oberflächen der Fahrzeugteile sollen über eine

Ultrafiltrationsanlage aufbereitet und das gewonnene

Permeat zur Spülung wieder eingesetzt werden. Dadurch

kann der Frischwasser- und Chemikalieneinsatz reduziert

werden. Das anfallende Konzentrat wird als Abwasser

abgeleitet.

Abb. 3-29

Nanofiltrationsanlage im Ford Werk Köln

[Foto: IMB+FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004]


Der Grundstein der Firma Schering wurde 1851 von Ernst

Schering im Norden von Berlin mit der Eröffnung der

„Grünen Apotheke“ gelegt. Heute beschäftigt die Sche-

ring AG rund 26.000 Mitarbeiter in 140 Tochtergesell-

schaften mit dem Schwerpunkt der Entwicklung und Pro-

duktion von Arzneimitteln.

Am Standort Bergkamen werden Wirkstoffe zur Arznei-

mittelproduktion hergestellt. Aufgrund einer wechselnden,

chargenweisen Produktion schwankt die Zusammenset-

zung des Abwassers stark. Das Abwasser wurde bis zum

Jahr 2003 nach einer Vorklärung und Pufferung in einem

Misch- und Ausgleichsbecken zur nahe gelegenen kom-

munalen Kläranlage geleitet.

Um eine nach dem Stand der Technik und den Erforder-

nissen des Gewässers zur Renaturierung entsprechende

Abwasserbehandlung zu gewährleisten, wurden die Mög-

lichkeiten einer eigenen Kläranlage nach dem Membran-

belebungsverfahren durch die Schering AG erprobt und

als ökonomisch und ökologisch effektiv ermittelt. Seit

2003 ist diese derzeit bundesweit größte Membrananlage

zur Reinigung industrieller Abwässer in Betrieb (siehe

Abbildung 3-30). Das gereinigte Abwasser wird seit dem

1. Juli 2004 direkt eingeleitet.

In der Membranbelebungsanlage am Standort Bergkamen

werden im Schnitt 3.500 m3 Abwasser am Tag behandelt,

das wie in Tabelle 3-5 dargestellt, beschaffen ist.

211

Pharmazeutische Industrie, Schering

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2003

Optimierte Abwasserbehandlung nach dem Stand der Technik

15.840 m2

Kassetten/Kapillarmembranen

ca. 150 m3/h

Vorklärung

Reduzierung der Abwasserkosten


Abb. 3-30

Luftaufnahme der Kläranlage bei der Schering AG [Fotos: SCHERING AG 2004]

links: Gesamtansicht; rechts: Seitenansicht der Membrananlage

UF3.5.10


Das Verfahren der Abwasserbehandlung zeigt Abbildung

3-31. Die erste Stufe besteht aus zwei in Reihe geschalteten

Vorklärbecken mit jeweils 1.000 m3 Beckenvolumen, in

denen das Abwasser neutralisiert, Fällungs- und Flockungs-

mittel zudosiert sowie die Feststoffe und die Fällungspro-

dukte abgeschieden werden.

Die Belebungsstufe mit einem Gesamtvolumen von 9.000 m3

ist dreistraßig mit vorgeschalteter Denitrifikation, Nitrifi-

kation und anschließender vierstraßiger Membranstufe

ausgeführt. Für die Ultrafiltration stehen in der Membran-

anlage 36 Membrankassetten des Typs ZW 500c der Firma

Zenon (Abbildung 3-32) mit einer gesamten Membran-

212

Tab. 3-5

Zulaufkonzentrationen, Einleitungsgrenzwerte und Betriebswerte der Anlage bei der Schering AG

[SCHERING AG 2004]

Parameter Einheit Zulauf (im Mittel) Grenzwerte zur Einleitung* Betriebswerte

CSB mg/l 3.500 > 90 % Reduktion Anforderungen eingehalten

BSB5 mg/l 1.500 unter Nachweisgrenze

Nges mg/l 95 < 50 mg/l Anforderungen eingehalten

Pges mg/l 8 < 2 mg/l Anforderungen eingehalten

* gemäß § Anhang 22 AbwV

Abwasser

Rezirkulation (RZ)

Membranstufe

Nitri-fikation

Denitri-fikation

Vorfluter

Puffer-becken

Neutralisations-und Vorklärstufe

Notauffang-becken

Schlamm-speicherÜberschussschlamm

Abb. 3-31

Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Schering AG in Bergkamen

[nach SCHERING AG 2004]


fläche von 15.840 m2 zur Verfügung. Das gereinigte Ab-

wasser wird im Anschluss an die Membranfiltration in

den Vorfluter eingeleitet.

Für die Stapelung des Überschussschlammes wurden zwei

belüftete Schlammspeicher mit einem Gesamtvolumen

von 1.700 m3 errichtet. Als Notauffangbecken stehen heu-

te drei Becken mit insgesamt 20.500 m3 Volumen zur Ver-

fügung.

Die Investitionen für den Neubau der Anlage, im Wesent-

lichen der Belebungsbecken und der Membrananlage,

betrugen rund 10 Mio. Euro, wovon 1,6 Mio. Euro vom

Land NRW als Fördergelder bewilligt wurden.

Eine der wesentlichen Emissionen einer Siedlungsabfall-

deponie ist neben Gas und Geruch das Deponiesicker-

wasser, welches erstmals 1986 bei der Novellierung des

WHG als „behandlungsbedürftiges Abwasser“ definiert

wurde [HENß, OPITZER 1995]. Es ist in der Regel hoch

mit organischen und anorganischen Inhaltsstoffen belas-

tet, wobei die Belastung zeitlich sehr stark schwanken

kann.

Für die Behandlung von Sickerwasser zur Erzeugung eines

einleitfähigen Permeats (Abwasserverordnung, Anhang

51 [ABWV 2002]) gibt es vielfältige Verfahren bzw. Ver-

fahrenskombinationen [ATV 1993, VDMA 1994], da ein

einzelnes Verfahren meist nicht das gewünschte Ergebnis

erzielen kann.

In den letzten Jahren haben sich zwei Verfahrenskombi-

nationen zur Behandlung und Aufbereitung von Depo-

niesickerwasser herauskristallisiert [PETERS 1996]:

• die Kombination aus biologischer Stufe und Oxidation

bzw. Aktivkohle (Abbildung 3-33) und

• die Kombination aus Umkehrosmose, Hochdruckum-

kehrosmose, ggf. Nanofiltration und Reststoffentsor-

gung.

Neben diesen genannten Verfahrenvarianten sind weitere

im Einsatz, z. B. die Erweiterung der biologischen Vorbe-

handlung aus Punkt eins um eine integrierte Membran-

stufe.

Das Umkehrosmoseverfahren zur Sickerwasseraufberei-

tung gehört zum Stand der Technik [ATV 1993]. Der

langjährige Dauerbetrieb zahlreicher großtechnischer

Anlagen weist nach, dass mit der Umkehrosmose die im

Sickerwasser gelösten organischen und anorganischen

Inhaltsstoffe mit vergleichsweise geringem Gesamtauf-

wand zu 98 bis 99 % abgetrennt werden können, wenn

213

Abb. 3-32

Membranmodul bei der optischen Überprüfung

[Foto: SCHERING AG 2004]

3.5.11

Sonstiges

3.5.11.1

Deponiesickerwässer


214

Biologische VorbehandlungRohsickerwasser Membranverfahren

(Umkehrosmose/Nanofiltration)

Oxidation

Aktivkohle

Rückführung

Kontrollierte, zeitlich und örtlich begrenzteInfiltration in den Deponiekörper

VerbrennungEindampfung

TrocknungEinbindung

Entsorgung

Reststoff

Gereinigtes Sickerwasser

Konzentrat

KiesfilterRohsickerwasser

Eindampfung

Aktivkohle

Kontrollierte, zeitlich und örtlich begrenzteInfiltration in den Deponiekörper

Reststoff


Konzentrat

Stickstoff-ausschleusung

Verbrennung

Einbindung

Stickstoff-verbindung

Reststoff

Rückführung Entsorgung

Membranverfahren(Umkehrosmose)

Abb. 3-34

Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser

unter Einsatz der Membranverfahren mit und ohne biologische Vorbehandlung

[ergänzt nach ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998]

Kohlenstoffquelle

Biologische VorbehandlungRohsickerwasser

Oxidation (Ozon)


Regeneration

Aktivkohle

EnergieÜberschussschlamm

Abb. 3-33

Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser ohne

Einsatz der Membranverfahren [ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998]


problemadaptierte Modul- und Anlagensysteme verwen-

det werden [PETERS 1998, PETERS 2000]. Betriebsergeb-

nisse halb- und großtechnischer Membrananlagen zur

Sickerwasserbehandlung wurden von BAUMGARTEN

[1998] dokumentiert und ausgewertet. Untersuchungen

von THEILEN [2000] zeigen, dass eine Kombination aus

herkömmlicher Filtration (Beutel- oder Kerzenfilter) und

einer oder zwei Membranstufen sehr gut zur Behandlung

von Rohsickerwasser geeignet ist. Mit einer ersten Mem-

branstufe (z. B. Kissen- oder Rohrmodule) und der even-

tuell erforderlichen zweiten Stufe (Kissen- oder Wickel-

module) kann aus dem hoch belasteten Sickerwasser ein

Permeat produziert werden, welches annähernd Oberflä-

chenwasserqualität besitzt. Verfahrenskombinationen zur

Behandlung von Deponiesickerwasser unter Einsatz der

Membranverfahren (Umkehrosmose, Nanofiltration) mit

und ohne biologische Vorbehandlung nach dem Stand

der Technik zeigt Abbildung 3-34.

Membranverfahren erreichen jedoch auch bei der Sicker-

wasserbehandlung Grenzen durch das Auftreten irrever-

sibler Deckschichten auf der Membran. Da die Sickerwas-

sermatrix sehr komplex ist, können diese Verfahrensgren-

zen nicht auf der Basis von Analyseergebnissen bestimmt

werden, sondern müssen individuell für jedes Sickerwas-

ser in Versuchen vor Ort neu bestimmt werden [ROSEN-

WINKEL, BAUMGARTEN 1998].

Bei Einsatz der Membrantechnik gibt es drei Alternativen

zur Entsorgung der Sickerwasserkonzentrate [PETERS

2000]:

• Verbrennung des Konzentrats in entsprechend ausgerüs-

teten und zertifizierten Anlagen für die Entsorgung

hochbelasteter Flüssigkeiten

• Einbindung des Konzentrats mit verschiedenen Materi-

alien mit anschließender Ablagerung der trockenen

Reststoffe auf der Deponie

• Kontrollierte zeitlich und örtlich begrenzte Konzentrat-

Infiltration in den Deponiekörper, um den biochemi-

schen Abbauprozess der organischen Abfallstoffe zu

verbessern und die angestrebte Immobilisierung des

organischen Materials zu beschleunigen

Die letztgenannte Lösung führt zu einer erhöhten Gas-

produktion und damit zu einer beschleunigten Abnahme

des organischen Anteils in einer Deponie. Umfangreiche

Untersuchungen und langjährig gesammelte Erkennt-

nisse und Erfahrungen auf Deponien, die mit der kon-

trollierten Infiltration betrieben werden, bestätigen, dass

langfristig keine auffallenden Veränderungen im abflie-

ßenden Sickerwasser festzustellen sind [PETERS 2000].

215


Das Unternehmen Abfallwirtschaft Kreis und Stadt Aachen

GmbH (AWA) betreibt die Zentraldeponie Alsdorf-Warden

(Inbetriebnahme 1976), auf der heute nur noch anorga-

nische Abfälle abgelagert werden. Das Einzugsgebiet um-

fasst den Kreis und die Stadt Aachen. Im Rahmen ihrer

Leistungsfähigkeit nimmt die Zentraldeponie auch Inert-

stoffe externer Körperschaften an.

Zur Behandlung des Deponiesickerwassers werden zwei

Anlagen eingesetzt, von denen hier die zweistufige Um-

kehrosmoseanlage beschrieben wird, welche die Entsor-

gung der Deponie sicherstellt.

Die zweistufige Umkehrosmoseanlage (Abbildung

3-35) zur Sickerwasserreinigung wird im sogenannten

O&O-Verfahren (Own and Operate) von der Firma Pall

seit 1999 betrieben.

Beide Stufen sind mit Scheiben-Rohr-Modulen, soge-

nannten DT-Modulen (disc tube module der Firma Pall),

ausgestattet. Zum Schutz der Anlage sind ein Kiesfilter

zur Grobstoffabscheidung und ein Kerzenfilter vorgeschal-

tet. Die Membrananlage enthält insgesamt 60 Module,

von denen 44 auf die Sickerwasserstufe, 13 auf die erste

Konzentratstufe (120 bar) und drei auf die zweite Konzen-

tratstufe (150 bar) entfallen. Jedes Modul weist eine

Membranfläche von ca. 7,6 m2 auf, so dass insgesamt

eine Membranfläche von ca. 460 m2 zur Verfügung steht.

Derzeit werden mit der Anlage 5 m3/h Sickerwasser

behandelt, von denen 92 bis 95 % als Permeat gewonnen

werden. Das Permeat wird zur Kläranlage geleitet und das

Retentat extern entsorgt.

Bei den eingesetzten Membranen handelt es sich um

Komposit-Membranen, deren aktive Schicht aus Poly-

amid besteht (Abbildung 3-36). Ein- bis zweimal in der

Woche ist eine Reinigung der Membranen notwendig,

eine Auswechslung der Membranen war seit Inbetrieb-

nahme noch nicht erforderlich.

Die Behandlung von Deponiesickerwasser hat ausschließ-

lich umweltrelevante Gründe, so dass der „Nutzen“ der

zweistufigen Umkehrosmoseanlage hier in der Sicherung

des umweltgerechten Betriebs und ggf. einer Nachsorge-

phase der Deponie zu sehen ist.

216

Deponie Alsdorf-Warden

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1999

Gewährleistung der Sickerwasserreinigung und damit Sicherung der Deponie

ca. 460 m2

Scheiben-Rohr-Module (disc tube module)

ca. 4,8 m3/h

Kiesfilter zur Grobstoffabscheidung und Kerzenfilter

Gewährleistung der Sickerwasserreinigung

Membranverfahren zweistufig: Umkehrosmose, Hochdruckumkehrosmose

Abb. 3-35

Umkehrosmoseanlage auf der Deponie

Alsdorf-Warden [MAURER 2001]

UO3.5.11.1.1

Ultradünne aktive Schichtaus modifiziertem Polyamid

Mikroporöse Zwischenschichtaus Polysulfon

0,2 µm

Stützgewebeaus Polyester

40 µm

120 µm

Abb. 3-36

Aufbau der Kompositmembran [MAURER 2001]


In Nordrhein-Westfalen wird an zahlreichen weiteren

Standorten (z. B. Essen, Köln, Mönchengladbach) Depo-

niesickerwasser mittels Membrantechnik bzw. einer Ver-

fahrenskombination aus Membrantechnik und biologi-

scher Behandlung bzw. weiteren Verfahren (z. B. Aktiv-

kohleadsorption) gereinigt.

217


In der Süßwasser-Aquakultur werden seit Mitte der 70er

Jahre erhebliche Anstrengungen unternommen, Techno-

logien zu entwickeln, die eine wirtschaftliche und um-

weltgerechte und intensive Fischzucht ermöglichen. Von

besonderer Bedeutung ist dabei die Entwicklung von so

genannten Kreislaufanlagen. Seit Mitte der 90er Jahre

steht mit der MBR-Technik eine innovative Technologie

zur Realisation von Kreislaufanlagen zur Verfügung. Die

Eignung dieses Verfahrens zur Reinigung der Abwässer

aus der Fischzucht wurde durch den Betrieb einer MBR-

Pilotanlage auf dem Versuchsfeld Marienfelde des Umwelt-

bundesamts in Berlin bestätigt (siehe Abbildung 3-37).

Die Pilotanlage besteht aus einem ca. 4 m hohen Hälte-

rungsbecken aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)

und der Aufbereitungsanlage. Eine Pumpe fördert das

Wasser und das abgesetzte Sediment aus dem Hälterungs-

becken mit einem Förderstrom von 1,7 l/s intervallweise

zur Denitrifikationsstufe, die aus drei mit Rührwerken

ausgestatteten PE-Behältern besteht. Das Volumen der

Denitrifikationsstufe kann durch einen höhenverstell-

baren Überlauf zur Membranstufe zwischen 0,4 m3 und

1,4 m3 variiert und damit dem Versuchsbetrieb angepasst

werden. Die Nitrifikation erfolgt in der Membranstufe,

die ein Volumen von 1 m3 fasst. Eingesetzt wird ein aus

35 Filterplatten bestehendes Membranmodul mit einer

Filterfläche von insgesamt 2 m2. Die Porenweite der

Membranen beträgt 0,4 µm. Die Belüfter zur Abreinigung

der Filterflächen und zur Sauerstoffversorgung des

Schlammes sind unterhalb des Moduls angeordnet. Ein

zweites Modul ist vorhanden und kann zur Verdopplung

der Filterfläche nachgerüstet werden.

Zur Gewährleistung eines internen Schlammkreislaufs

zwischen Nitrifikation und Denitrifikation fördert die

Zirkulationspumpe Schlamm aus dem Filterbehälter zur

Denitrifikationsstufe.

Das gereinigte Wasser wird mit der Permeatpumpe durch

die Membranen gesaugt und zurück in das Hälterungs-

becken gefördert. Die Pumpe läuft im Dauerbetrieb mit

regelmäßigen Pausen, die der besseren Abreinigung der

Filterflächen dienen. Des Weiteren ist die Wasser-Aus-

tauschrate im Hälterungsbecken von den Lauf- und Pausen-

zeiten und dem Förderstrom der Permeatpumpe abhängig,

der zwischen 1 und 8 m3/d eingestellt werden kann.

Der Überschussschlamm und der Teil des Abwassers aus

dem Hälterungsbecken, der nicht im Kreislauf geführt

wird, werden zur Kläranlage geleitet.

Die Entwicklung dieses Verfahrens bis zur Marktreife wird

in einem Projekt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt

(DBU) fortgeführt.

218

Fischzucht

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2004 (Pilotanlage)

Wiederverwendung des Abwassers / Schließung von Wasserkreisläufen

21 m2

Eindeckplattenmodule

max. 8 m3/d

Nicht notwendig

Einsparung von Frischwasser- und Abwasserkosten


MF3.5.11.2


Das 1995 gebaute Gas- und Dampfturbinen-Heizkraft-

werk Dresden, Nossener Brücke, verfügt über eine elektri-

sche Leistung von 270 MW, eine thermische Leistung

von 455 MW Heizwasser und 25 MW Dampf. Seit 1997

gehört das Kraftwerk zur DREWAG. Mitte des Betriebsjah-

res 1996 war Turbinenöl in das verzweigte Zwischenkühl-

wassersystem des Kraftwerks gelangt und lagerte sich an

unterschiedlichen Wärmeübertragungsflächen im System

ab, was zu einer deutlichen Verschlechterung des Wärme-

übergangs und damit der Kühlleistung einzelner Aggrega-

te führte.

219

Hälterungsbecken


Rezirkulation (RZ)

DN 1 DN 2 DN 3

Denitrifikationsstufe

RecyclingstromFrischwasser

Gebläse-station

Abwasser zurKläranlage

Überschuss-schlammabzug

Abb. 3-37

Verfahrensschema einer Kreislaufanlage zur Reinigung von Abwasser aus der Fischzucht

[UMWELTBUNDESAMT 2004]

Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD) Dresden

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1996

Reinigung ölkontaminierter Kühlwasser- oder Heiz-Kreisläufe durch Abtrennung

von emulgiertem Öl aus dem Kreislaufwasser mittels Ultrafiltration

15,2 m2

keramische Multikanal-Elemente

bis zu 2,5 m3/h

Kerzenfilter < 1 µm

Wiederherstellung der Kühl- bzw. Heiz-Leistung nach Kontamination der Kühl-

bzw. Heiz-Kreisläufe mit Öl bei Stillstandszeiten des Kraftwerks


UF3.5.11.3


Da das System aus Rohrleitungen unterschiedlicher Durch-

messer und verschiedenen Aggregaten mit hydraulischen

Totzonen besteht, hätte die erforderliche Reinigung des

Kühlsystems durch einen Austausch der im Kreislauf

befindlichen ca. 90 m3 Kühlwasse sowie gezielte Spülun-

gen des Kühlwassersystems nicht erzielt werden können.

Alternativ hätten alle apparatetechnischen Komponenten

einzeln ausgekoppelt und gespült werden müssen. Neben

dem Aufwand für die Reinigung der einzelnen Aggregate

wäre dabei auch mit einem temporären Stillstand des

Kraftwerkes zu rechnen gewesen.

Zur Problemlösung wurde ein gemeinsam von der THERM-

SERVICE für Kraftwerke und Industrie GmbH und der

Dr.-Ing. Peters Consulting für Membrantechnologie und

Umwelttechnik (DPC) unter Einbindung der Modultech-

nik der atech innovations GmbH entwickeltes Verfahren

eingesetzt. Dieses patentierte Verfahren wurde unter dem

Namen „RÖKU (Reinigung ölkontaminierter Kühlwasser-

kreisläufe mit Ultrafiltration und Emulgierung bei laufen-

dem Blockbetrieb)“ eingeführt. Es bietet im Vergleich zur

konventionellen Vorgehensweise geringere Kosten und

vermeidet kostenintensive Betriebsausfallzeiten. Abbil-

dung 3-38 zeigt das Verfahrensschema des RÖKU-Verfah-

rens.

Eine als mobile Einheit konzipierte und flexibel an die

örtlichen Gegebenheiten anzupassende RÖKU-Anlage

besteht aus den Hauptkomponenten Vorfiltration, Roh-

wasservorlage, Ultrafiltrations-Einheit mit vier in Serie

geschalteten Modulen à 3,8 m2 Membranfläche, Zirkula-

tionstank, Filtrattank und einer CIP-Einrichtung für die

Reinigung der Membranen (Abbildung 3-39).

Im Falle des Gas- und Dampfturbinenkraftwerks Dresden

wurde mit Hilfe eines problemspezifisch ausgewählten,

dem Kühlwasser beigemischten Emulgators das an den

wasserberührten Oberflächen des Kühlkreislaufes anhaf-

tende Öl emulgiert. Diese Emulsion wurde über die im

Bypass geschaltete, mit keramischen Membranen ausge-

rüstete und im Cross-Flow betriebene Ultrafiltrations-

Anlage behandelt. Die Behandlung erfolgte chargenweise.

Das Permeat, das noch einen Teil des Emulgators enthält,

wird wieder in den Kreislauf eingespeist. Das Konzentrat,

in dem sich die aus der Emulsion abgetrennten Öl-Mikro-

tröpfchen aufkonzentrieren, wurde entsorgt. Aus dem

Zwischenkühlwasserkreislauf des Gas- und Dampfturbinen-

Heizkraftwerkes Dresden, Nossener Brücke, wurden so

ca. 1.600 l Öl entfernt. Nach Erreichen des gewünschten

Restölgehaltes wird der Emulgator aus dem Kreislaufwas-

ser entfernt und dieses entsprechend konditioniert.

220

Kerzenfilter

Ultra-filtration 1

Rohwasser-vorlage

Kühlwasser-kreislauf

Kühlwasser ölbelastet

Zirkulations-tank

Permeat-behälter

Öl-Ausschleusung

Kühlwasser ölfrei

Emulgator

Abb. 3-38

Schema des RÖKU-Verfahrens [nach DPC 1997]


Weitere Beispiele für den Einsatz dieses Verfahrens waren

1997 die Sanierung im Heizkraftwerk Zolling der Isar-

Amper-Werke, bei der ca. 1.000 l Schmieröl aus dem Zwi-

schenkühlwasserkreislauf mit 300 m3 Inhalt abgetrennt

wurden, und 1998 die Reinigung eines Zwischenkühlwas-

serkreislaufes mit 130 m3 Inhalt und 400 Heizkörpern in

einem Krankenhaus in Rottweil, aus dem 2.600 l Schmier-

öl entfernt werden konnten.

An Bord von Schiffen fallen durch den Schiffsbetrieb ver-

schiedene Arten von Ölrückständen an, die sich an der

tiefsten Stelle im Maschinenraum, der Bilge, sammeln.

Das ölhaltige Schmutzwasser, genannt Bilgenwasser, ist

ein Gemisch aus Öl, Schmierfett, Treibstoffresten, Kühl-

und Kondenswasser, in geringen Mengen Frostschutz-

und Korrosionsschutzmitteln, Reinigungsmitteln sowie

Fluss- bzw. Seewasser in unbekannten Konzentrationsver-

hältnissen [FURTMANN ET AL. 2001]. Die Bilge muss des-

halb periodisch gelenzt, d. h. das Öl-Wasser-Gemisch aus

der Bilge entsorgt werden. Früher wurde der Bilgeninhalt

in das Gewässer gelenzt, was aber seit 1963 verboten ist.

221

Abb. 3-39

Ultrafiltrations-Anlage für das Verfahren RÖKU

[Foto: THERM-SERVICE]

Bilgenentölung

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1989

Entsorgung der Bilgenwässer

23,6 m2

Rohrmodule

3 m3/h

Ölabscheidung

Volumeneinsparung auf dem Schiff, Beitrag zum Umweltschutz


UF3.5.11.4


Um die Entsorgung der Bilgenwässer zu gewährleisten,

haben die rheinanliegenden Bundesländer 1965 den Bil-

genentwässerungsverband als Körperschaft des öffent-

lichen Rechts gegründet, welcher der Rechtsaufsicht des

Landes Nordrhein-Westfalen untersteht. Zur Durchfüh-

rung seiner Aufgaben bedient sich der Verband der Bil-

genentölungsgesellschaft mbH, die das Bilgenwasser allen

Schiffen (unabhängig vom Herkunftsland) kostenlos

abnimmt und behandelt.

Die Bilgenentölungsgesellschaft mbH wurde 1961 ge-

gründet und beschäftigt heute 25 Mitarbeiter. Sie ist für

die Bilgenentölung aller Binnenschiffe in der Bundesre-

publik südlich von Münster zuständig. (Für Hamburg,

Bremen und Berlin übernehmen andere Institutionen

diese Aufgabe, zum Teil gegen Gebühr.) Die Gesellschaft

betreibt mehrere Bilgenentölungsboote (Bibo), die das Öl

von der Wasserphase mittels Schwerkraftabscheider und

seit 1989 zusätzlich mittels Ultrafiltration trennen.

Das abgesaugte Bilgenwasser wird zunächst über einen

Kaskadenölabscheider (Separator) vorabgeschieden (siehe

Abbildung 3-40). Die Ölphase wird in einem Behälter

gesammelt und je nach Wassergehalt einer Verwertung

(Zweitraffinat) oder Entsorgung (thermisch) zugeführt,

die andere Gesellschaften übernehmen.

Die Wasserphase gelangt in die nach dem Crossflow-Ver-

fahren betriebene Ultrafiltrationsanlage (Firma Berghof).

Dort trennen Rohrmodule mit Polymermembranen mit

einer Trenngrenze von 100.000 Dalton bei einem Betriebs-

druck von 7 bar weiteres Öl von der Wasserphase ab. Mit

der gesamten Membranfläche (23,6 m2) wird pro Stunde

3,0 m3 Filtrat produziert, das die vorgegebenen Grenzwer-

te laut Bescheid der zuständigen Wasserbehörde einhält

und direkt ins Gewässer geleitet wird.

Das Konzentrat wird erneut über die Ultrafiltrationsanla-

ge geleitet und weiter aufkonzentriert. Nach mehreren

Durchläufen verbleiben nur wenige Liter ölhaltiges Kon-

zentrat, das ebenfalls im Ölbehälter gesammelt und einer

Verwertung oder Entsorgung zugeführt wird. Je nach Ein-

satz werden die Membranen ein- bis zweimal wöchent-

lich gespült. Die Praxis hat gezeigt, dass die Standzeit der

Membranen ca. 15.000 Betriebsstunden, teilweise auch

mehr, beträgt.

222

Ultrafiltration

Konzentrat Kreislaufführungnach Abschaltungdes Zulaufs

Separator

Permeat

Absaugungaus Schiffsbilge

Ölphase

Altöl-Sammelbehälter

Wasserphase

Landabgabe

Abb. 3-40

Verfahrensskizze der Bilgenentölung [nach DEUTSCH 2001]


3.5.11.5

Schwimmbäder

Im Schwimmbadwasser sammeln sich neben Schmutz-

teilchen auch wasserlösliche und emulgierbare Substanzen

(z. B. Hautschweiß, Reste von Hautcreme, Sonnenschutz-

öl), die nur in bestimmten Konzentrationen vorliegen

dürfen. Im üblichen Schwimmbadbetrieb wird dies durch

die Verdünnung mit Trinkwasser erreicht, das in das gefüllte

Schwimmbecken gepumpt wird. Durch dieses Hineinpum-

pen und die Wasserverdrängung durch Badende läuft

Wasser – Schwallwasser – durch die Überlaufrinne in einen

Schwallwasserbehälter ab. Von dort wird es durch einen

Sandfilter gepumpt, in dem Schmutz- und Trübstoffe

zurückgehalten werden. Nach einer Konditionierungs-

strecke gelangt das filtrierte Wasser wieder in das

Schwimmbecken.

Von Zeit zu Zeit muss der Filter durch Rückspülung

(meist mit Schwallwasser) gereinigt werden. Das Schlamm-

wasser aus der Rückspülung wird zunächst aufgefangen

und anschließend in das öffentliche Abwassernetz geleitet.

Pro Badegast werden mindestens 30 l [DIN 19643] bis

120 l Trinkwasser durch die Ableitung von Wasser in die

Kanalisation und Zumischung von frischem Trinkwasser

verbraucht.

Durch Wasserverdunstung und Nachfüllung steigt die

Wasserhärte an, die aus Kalk und Magnesiumsalzen besteht.

Durch die Chlorung und pH-Wert-Korrektur entstehen

weitere Salze. Zudem kommt es in großen Schwimmbad-

betrieben mit Solebecken zur Verschleppung von Sole in

das normale Schwimmbadwasser.

Die 1998 gegründete Freizeiteinrichtung mit seinen 30 Mit-

arbeitern wird zu 100 % von der Stadt Würselen getragen.

Um die großen Frischwassermengen, die durch den übli-

chen Filtrationsbetrieb benötigt werden, zu reduzieren,

wurde 1998 im Zuge der Neubaumaßnahme eine Ultrafil-

trations- und Umkehrosmoseanlage (degebran® GmbH

Anlagenbau) für das Aquana Freizeitbad geplant und ge-

liefert.

Die Anlage ist nicht in den Schwimmbadwasserkreislauf

eingebunden, sondern dient dazu, von der großen Was-

sermenge, die zur Rückspülung der Sandfilter notwendig

ist, rund 70 % zurückzugewinnen.

Dazu sind zwei Membranfilter-Kreisläufe hintereinander

geschaltet, die im Crossflow-Verfahren Schlammwasser

(aus der Rückspülung der Filter), Dusch- und Waschbe-

cken- und Regenwasser aufbereiten und dabei Substanzen

223

Schwimmbad, Aquana Freizeitbad

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Reduzierung der benötigten Frischwassermengen

42 m2 (UF), 140 m2 (RO)

Kapillarmodule (UF), Spiralwickel (RO)

Gesamt (UF und RO) 5 m3/h

Vorfiltration

Einsparung von Frischwasser und Energie für Aufheizung

Membranverfahren Ultrafiltration (UF), Umkehrosmose (RO)

UF UO3.5.11.5.1


wie organische Chlorverbindungen, Wasch- und Reini-

gungsmittel und Urinbestandteile entfernen (Abbildung

3-41). Nach einem Vorfilter trennen rückspülbare Kapil-

larmembranen mit einer gesamten Filterfläche von 72 m2

in der ersten Ultrafiltrationsstufe feste Schmutz- und

Schwebestoffe ab. Aus diesem Filterkreislauf werden kon-

tinuierlich 10 % Konzentrat ausgeschleust und als Abwas-

ser entsorgt. Das Filtrat gelangt in die zweite Stufe, die

Umkehrosmoseanlage, in der Spiralwickelmodule

(140 m2 Filterfläche) auch gelöste Substanzen zurückhal-

ten. Das Permeat dieser zweiten Stufe wird über eine Ad-

sorberstufe mit Aktivkohle in den Schwimmbadwasser-

kreislauf zurückgeleitet, während das salzreichere Reten-

tat als Brauchwasser eingesetzt wird. Die Systemleistung

beträgt insgesamt 5 m3 pro Stunde.

Mit diesem Verfahren werden bis zu 80 % der früher be-

nötigten Frischwassermenge, die als Füllwasser gebraucht

wird, eingespart. Zusätzlich wird der Energiebedarf redu-

ziert, da das Permeat warm in den Beckenkreislauf zu-

rückgeführt werden kann, ohne erneut aufgeheizt werden

zu müssen. Neben dem ökologischen Vorteil, Wasser zu

sparen, wird auch eine erhebliche Kosteneinsparung

erreicht. Die Amortisationszeit der 383.000 EUR-Investi-

tion ist mit drei Jahren berechnet.

224

Ultrafiltration

Konzentrat

Umkehrosmose

Retentat alsBrauchwasser

Filtrat

Adsorberstufemit Aktivkohle Schlammwasser

Dusch-abwasser

Schwallwasserbecken

Regen-wasser

Rohwasser

Schwimmbecken

Normalbetrieb Filterrückspülung

Permeat

Vorfilter

Reinwasser

Überlaufrinne

Abb. 3-41

Wasserkreislaufführung und Aufbereitung im Aquana Freizeitbad [nach DEGEBRAN®]


Das Freizeitbad Copa Ca Backum wird von den Hertener

Stadtwerken GmbH betrieben. Mit dem Ziel, die großen

benötigten Frischwassermengen zu reduzieren und keim-

freies Wasser zu gewährleisten, entwickelten die Hertener

Stadtwerke GmbH und das L. V. H. T.- Institut5), Essen,

(wissenschaftliche Unterstützung) ein Verfahren zur Auf-

bereitung von Betriebsabwässern für öffentliche Bäder

und Gewerbebetriebe. Seit August 1998 wird diese Ver-

fahrenskombination, die u. a. die Membrantechnik ein-

setzt, im Freizeitbad Copa Ca Backum zur Aufbereitung

von Becken-, Schlamm- und teilweise Duschabwasser

angewendet.

Das abgebadete Wasser und ein Teil des Duschwassers

werden in einem Rohwasserbehälter gesammelt, in dem

bereits partikuläre Stoffe sedimentieren und über ein Sieb

abgetrennt werden (Abbildung 3-42). Die nachgeschaltete

Ultrafiltrationsanlage dient der Voraufbereitung des

kombinierten Betriebswassers. Polymere Hohlfasermem-

branen (System Pall) trennen im Dead-End-Betrieb unge-

löste Teilchen bzw. Trübungen sowie Öle, Fette und Salben

ab, so dass den weiteren Verfahrensschritten ausschließ-

lich tatsächlich gelöste Stoffe zugeleitet werden. Insge-

samt bewältigen 6 Module mit je 50 m2 Filterfläche einen

Permeat-Volumenstrom von 10 m3 pro Stunde.

Zur Beseitigung der gebildeten Membrandeckschicht ist

eine halbstündliche Rückspülung (durch Umkehrung des

Flusses), kombiniert mit einer Luftreinigung (stündlich),

erforderlich. Eine chemische (alkalische) Reinigung der

Membranen erfolgt alle vier Wochen. Bei dieser Betriebs-

weise wird mit einer Standzeit der Membranen von fünf

Jahren gerechnet.

Nach weiteren Aufbereitungsstufen (Oxidation sowie

Adsorption an Aktivkohle und Nachdesinfektion auf

Chlorbasis) hat das Filtrat Trinkwasserqualität. Es wird in

einem Vorratsbehälter gesammelt und als Reinwasser zur

Füllung des Schwimmbeckens bzw. für die Spülung der

Filter verwendet.

Das Schlammwasser aus der Rückspülung der Filter

wird in den Rohwasserbehälter geleitet und durchläuft

gemeinsam mit dem abgebadeten Beckenwasser und

Duschwasser den beschriebenen Aufbereitungskreislauf.

Wasserverluste, die bei der Aufbereitung und durch Ver-

dunstung und Verschleppung im Bad entstehen, werden

durch Zufuhr von Frischwasser ausgeglichen.

225

Schwimmbad, Freizeitbad Copa Ca Backum

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nachbehandlung

Nutzen

August 1998

Reduzierung der benötigten Frischwassermenge und Gewährleistung von keimfreiem Wasser

300 m2

Hohlfasermodule

10 m3/h

Sedimentation, Partikelabtrennung durch Sieb

Oxidation, Adsorption, Desinfektion

Einsparung von Frischwasser und Energie


5) L. V. H. T. – Lehr- und Versuchsgesellschaft für innovative Hygiene-Technik mbH, Institut für angewandte Bau- und Bäderhygiene GmbH, Essen

UF3.5.11.5.2


Obwohl regelmäßig Frischwasser zugeführt wird, kommt

es durch die Kreislaufführung des Rückspülwassers und

Verdunstungsverluste zu einer Aufsalzung des Schwimm-

badwassers von etwa 10 bis 15 % im Jahr. Dies ist aber

nicht von Bedeutung, da gemäß DIN 19643 das gesamte

Beckenwasser einmal pro Jahr ausgetauscht wird.

In der vorgestellten Verfahrenskombination wird die

Membrantechnik nur als vorgeschaltete Aufbereitungs-

stufe eingesetzt, die wirtschaftlichen Vorteile wie Frisch-

wasser- und Energiekosteneinsparung beziehen sich

daher auf das Gesamtsystem. Bei einer Frischwasserein-

sparung von 60 % und der prognostizierten Energieein-

sparung von 50 % hatte sich die Anlage nach 3,5 Jahren

amortisiert.

226

OxidationUltrafiltrationFiltrat

Nachdesinfektion

Schwimmbecken

Adsorption

Rohwasser VorratsbehälterSchlammwasseraus Rückspülung

Schlammwasser

Anteil Duschwasser

Spülwasser

Füllwasser

Abb. 3-42

Wasseraufbereitung im Freizeitbad Copa Ca Backum [nach L. V. H. T. 2001]


227

3.6

Anwendungsbeispiele außerhalb Deutschlands

In den Kapiteln zu 3.5 wird der Einsatz verschiedener

Membranverfahren in Deutschland vorgestellt, in den

folgenden Kapiteln werden Beispiele aus der internatio-

nalen Praxis beschrieben. Die Sortierung der Beispiele

erfolgt wie in Kapitel 3.5 aufgrund der Industriezweige,

in denen die Anlagen eingesetzt werden. In der Tabelle 3-6

sind alle Beispiele aufgeführt, die im Folgenden beschrie-

ben sind.

Nahrungsmittel-

industrie

Stärkegrund-

produktion

Nahrungsmittel-

industrie

Nahrungsmittel-

industrie

Mälzerei

Wäscherei

Pharmaindustrie

Tierkörperbesei-

tigung

Mechanisch-bio-

logische Abfall-

behandlung

Tab. 3-6


in Deutschland

Branche

Kellogg

Raisio Chemicals

Dairygold

Dairy Crest

Sobelgra n. v.

Wäscherei

Massop

Sandoz/

BIOCHEMIE

SARIA

Tirme

Firma

Manchester

(Großbritannien)

Veurne

(Belgien)

Mitchelstown

(Irland)

Davidstow

Camelford

(Großbritannien)

Antwerpen

(Belgien)

Kerkrade

(Niederlande)

Barcelona

(Spanien)

Bayet

(Frankreich)

Mallorca

(Spanien)

Ort

2004

2004

2000

2003

2004

1998

2003

2000

2004

Inbetrieb-

nahme

UF

UF

UF

UF

UF

UO

MF

UF

UF

Membran-

verfahren

Rohrmodule

getauchte,

rotierende

Plattenmodule

Rohrmodule

Rohrmodule

getauchte

Kapillarmodule

Wickelmodule

getauchte

Plattenmodule

getauchte

Kapillarmodule

Rohrmodule

Module

5 � 216

1.188

648

486

8.000

250

1.440

1.800

100

Membran-

fläche m2

3.6.1.1

3.6.1.2

3.6.1.3

3.6.1.4

3.6.1.5

3.6.2

3.6.3

3.6.4.1

3.6.4.3

Kapitel


3.6.1

Nahrungsmittelindustrie

Müsliproduktion bei der Kellogg Company,

Großbritannien

Je nach Produktionscharge können Feststoffe im Abwas-

ser enthalten sein, die über ein Trommelsieb entnommen

werden. Kakaopulver lässt sich jedoch nicht mit einer

Siebung abtrennen. Deshalb wird das kakaopulverhaltige

Abwasser durch eine Trübungsmessung detektiert und

einer Dekantierzentrifuge zugeführt, in der die Feststoffe

abgetrennt werden. Die Flüssigphase wird in die biologi-

sche Reinigungsstufe geleitet, in der die gelösten organi-

schen Bestandteile abgebaut werden. Die biologische Stu-

fe ist als Belebungsverfahren in Kombination mit einer

extern aufgestellten Ultrafiltration zur Biomasseab-

trennung nach dem BIOMEMBRAT®-Verfahren der Wehrle

Umwelt GmbH ausgeführt. Die fünfstraßige Ultrafiltrations-

anlage (Abbildung 3-44) wird im Cross-Flow-Verfahren

betrieben und erzeugt 60 – 80 m3/h Permeat. Je nach Ab-

wasseranfall können die einzelnen UF-Straßen zu- oder

abgeschaltet werden. Der anfallende Überschussschlamm

wird mit dem kakaohaltigen Abwasser in der belüfteten

Vorlage der Dekantierzentrifuge vermischt. Anschließend

werden die Feststoffe in der Dekantierzentrifuge abge-

trennt und entsorgt.

Die Kellogg Company stellt heute in 19 Ländern mehr als

50 verschiedene Getreideprodukte her und verfügt über

25.000 Mitarbeiter.

Am Standort Manchester wird Frühstücksmüsli herge-

stellt. Bei der Produktion fallen erhebliche Mengen Spül-

und Abwässer mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen

(Getreidebestandteile, Kakao, Zucker etc.) an. Das Abwas-

ser wurde bis 2003 lediglich durch ein Bogensieb zur

Abtrennung der Feststoffe gereinigt. Die stetig steigenden

Abwassergebühren führten im Jahr 2003 zur Planung

einer leistungsfähigen Kläranlage, die 2004 in Betrieb

genommen wurde.

Rahmenbedingung für die Erweiterung der Abwasserrei-

nigungsanlage war die Wahl eines platzsparenden Verfah-

rens, das den stark schwankenden Schadstofffrachten

und Abwassermengen gerecht wird und ausbaufähig im

Hinblick auf eine Recyclingmöglichkeit des gereinigten

Abwassers ist. Abbildung 3-43 zeigt das Verfahrenssche-

ma der Abwasserbehandlungsanlage.

228

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2004

Einhaltung der Anforderung für Indirekteinleitung und Senkung der Abwasserkosten

5 Module á 216 m2

Rohrmodule

60-80 m3/h

Trommelsieb und Dekanter

Reduzierung der Abwassergebühren, ausbaufähige Abwasserbehandlungsanlage mit

geringem Platzbedarf


UF3.6.1.1


der biologischen Reinigungsstufe und den Energiekosten

für die Belebtschlammabtrennung in der Cross-Flow-

Ultrafiltration zusammen. Hinzu kommen die Kosten für

den Membranersatz (Membranwechsel alle vier Jahre pro-

gnostiziert) sowie die Kosten für den Einsatz von Mem-

branreiniger (chemische Reinigung nach Erfahrungswer-

ten von anderen Anlagen alle 6 – 8 Wochen).

Der Energieverbrauch der biologischen Reinigungsstufe

hängt von der zugeführten CSB-Fracht ab, wobei die

Energieaufnahme der Cross-Flow-Ultrafiltration eine

Funktion der spezifischen Filtratleistung ist. Die Möglich-

keit der Zuschaltung einzelner UF-Straßen je nach Abwas-

seranfall und die automatische Regelung der Belüftungs-

einrichtungen erlaubt eine Energie sparende Betriebs-

weise der Abwasserreinigungsanlage.

Die Investition für die Membrananlage betrug 930.000 Euro.

Die Betriebskosten für die Cross-Flow-Ultrafiltrationsanla-

ge belaufen sich auf 0,36 s/m3 Permeat, die der biologi-

schen Reinigungsstufe auf 0,38 s/m3.

Die Kosten für die Reinigung des Abwassers setzen sich

im Wesentlichen aus den Energiekosten für die Belüftung

229

PufferBelebungs-becken

VorlageDekanter

Dekanter

Flüssigphase

Feststoff

Feststoff

Trommelsieb

Trübungs-messung

Ultrafiltrations-membrananlage

Vorfluter

Zulauf

Abb. 3-43

Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Kellogg Company in Manchester

[nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004]

Abb. 3-44

Cross-Flow-Ultrafiltration bei der Kellogg Company

in Manchester [Foto: WEHRLE UMWELT GMBH 2004]


Stärkegrundproduktion bei

Raisio Chemicals, Belgien

Die finnische Firma Raisio Chemicals, die im März 2004

von Ciba Spezialitätenchemie übernommen wurde, stellt

am Standort Veurne in Belgien Stärkegrundprodukte für

die Nahrungsmittel- und Photoindustrie sowie die phar-

mazeutische Industrie her.

Die Aufbereitung der Stärkegrundprodukte erfordert viel

Frischwasser, weshalb sich unter ökonomischen und öko-

logischen Aspekten ein geschlossener Wasserkreislauf

anbietet. Für den Standort Veurne musste eine geeignete

Abwasseraufbereitungsanlage nicht nur leistungsfähig,

sondern aufgrund der beengten Platzverhältnisse auch

kompakt sein.

230

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2004

Leistungsfähige und kompakte Abwasserbehandlung

1.188 m2

Getauchte, rotierende Plattenmodule

max. 12 m3/h

keine mechanische Vorbehandlung

Reduzierung des Frischwasserbedarfs und des Abwasseranfalls, Kostensenkung


Abwasseraus derProduktion Gebläse-

station


Abwasser-stapelung

Produktionsprozess

Permeat-behälter

Abb. 3-45

Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei Raisio Chemicals [nach HUBER AG 2004]

Abb. 3-46

Huber VRM®-Verfahren (rotierende Module)

[Fotos: HUBER AG 2004]

UF3.6.1.2

heit des VRM®-Verfahrens besteht in den im Abwasser

eingetauchten und rotierenden Plattenmembranen.

Durch die rotierenden Membranplatten soll in Verbin-

dung mit der eingeblasenen Luft eine optimierte Deck-

schichtabreinigung erreicht werden. Die Membrananlage

kann auf zwei Module des Typs VRM® 20/252 erweitert

werden. Das gereinigte Abwasser wird über einen Permeat-

sammelbehälter dem Produktionsprozess zugeführt.


Die Verfahrenstechnik der 2004 in Betrieb genommenen

Gesamtanlage besteht aus einem Misch- und Ausgleichs-

becken, der Membranbelebungsanlage und einem Perme-

atsammelbehälter (Abbildung 3-45). Das Abwasser aus

der Produktion wird zunächst vergleichmäßigt und dann

der Belebungsstufe (V= 1.800 m3) zugeführt, in der zwei

getauchte Module des Typs VRM® 20/198 der Firma

Huber installiert sind (Abbildung 3-46). Eine Besonder-

Dairygold Food Products ist europaweit eine der größten

und führenden Molkereien mit Sitz in Mitchelstown,

Irland. Dairygold Food Products stellt Milchpulver, Käse

und Butter her und betreibt eine Fleisch- und Wurstfabrik.

Am Standort Mitchelstown fallen 5.000 m3/d Abwasser

an, die in einer konventionellen Belebungsanlage behan-

delt werden. Während der Milchsaison von März bis

November steigt die Abwassermenge aufgrund der Molke-

verarbeitung auf 7.000 m3/d an. Der Anstieg der Abwas-

sermenge und der CSB-Frachten überstieg die Behand-

lungskapazität der vorhandenen Belebungsanlage, so dass

die bestehende biologische Reinigungsstufe in der Milch-

saison überlastet wurde und dies zu einer Überschreitung

der Einleitgrenzwerte führte. Aufgrund dieser Situation

wurde die separate Behandlung der Abwässer aus der

Molkeverarbeitung mit ca. 2.000 m3/d in einem Mem-

branbioreaktor technisch und wirtschaftlich geprüft und

führte im Jahr 2000 zum Neubau einer Anlage nach dem

BIOMEMBRAT®-Verfahren der Wehrle Umwelt GmbH.

Das Konzept beinhaltet den Betrieb der Membrananlage

in den belastungsstarken Sommermonaten und die

Außerbetriebnahme im Winter. Die Membranmodule

werden während der Winterzeit konserviert und eingela-

gert. Besonders wichtig ist die kurze Einfahrphase der

Anlage zu Beginn der Saison. Gerade in Zeiten von Belas-

tungsspitzen kann durch den Betrieb der Membrananlage

eine deutliche Verbesserung der Ablaufkonzentrationen

der Gesamtabwasserbehandlungsanlage erreicht werden.

Abbildung 3-47 zeigt das Verfahrensschema der Abwas-

serbehandlungsanlage.

231

Molkerei Dairygold Food Products, Irland

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Nutzen

2000

Einhaltung der Einleitgrenzwerte in der Milchsaison

648 m2

Rohrmodule

80 – 90 m3/h

Entlastung der vorhandenen Belebungsanlage, Einhaltung der Einleitgrenzwerte


UF3.6.1.3


Die Membranbelebungsanlage besteht aus einem vorge-

schalteten Denitrifikationsbecken (V = 400 m3), einem

Nitrifikationsbecken (V = 2.000 m3) sowie einer anschlie-

ßenden vierstraßigen Ultrafiltrationsanlage, die nach dem

Cross-Flow-Verfahren betrieben wird und zur Abtrennung

der Biomasse dient. Die vier Straßen der Ultrafiltration

haben jeweils eine Membranfläche von 162 m2 und kön-

nen je nach Abwasseranfall einzeln zu- oder abgeschaltet

werden. Als Membranen sind Rohrmodule mit einem

Innendurchmesser der Rohrmembranen von 8 mm im

Einsatz. Die mittlere transmembrane Druckdifferenz im

Betrieb beträgt 0,8 bar. Die einzelnen Ultrafiltrationsstra-

ßen müssen im Abstand von ca. 4 – 6 Wochen chemisch

gereinigt werden, um eine konstante Filtrationsleistung

sicherzustellen. Ein Membranaustausch ist in den zurück-

liegenden vier Jahren noch nicht erfolgt, es wird eine

Standzeit von fünf bis sechs Jahren erwartet.

232

Rezirkulation (RZ)

Deni-/Nitrifikationsbecken


Nachklärbecken

Rezirkulation (RZ)

Rezirkulation (RZ)

Zulauf Vorfluter Membranstufe

Saison-betrieb


Abb. 3-47

Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei Dairygold Food Products, Irland


Abb. 3-48

Gesamtanlage bei Dairygold Food Products

mit der Membrananlage im Vordergrund

[WEHRLE UMWELT GMBH 2004]


Die CSB-Konzentration im Zulauf von bis zu 3.600 mg/l

(im Mittel 2.600 mg/l) wird auf 50 mg/l im Ablauf redu-

ziert. Die Anforderungen an die Ablaufwerte für BSB5

< 12 mg/l, TKN < 15 mg/l und Pges < 10 mg/l werden

sicher eingehalten.

Der spezifische Energieverbrauch betrug in den Jahren

2000 bis 2003 durchschnittlich ca. 5 kWh/m3. Davon

wurden ca. 2,8 kWh/m3 für die Belüftung und die Rezir-

kulation sowie 2,2 kWh/m3 für die Membranfiltration

aufgewendet, wobei der Energieverbrauch der biologi-

schen Reinigungsstufe im Wesentlichen von der CSB-

und Stickstofffracht abhängig ist.

Der Energiebedarf der Ultrafiltration und die Membran-

wechselkosten betragen etwa 23 % der gesamten Be-

triebskosten. Die spezifischen Betriebskosten der gesam-

ten Membranbelebungsanlage betragen ca. 0,90 Euro

pro m3 Permeat. Allerdings ist zu beachten, dass die

Membrananlage nur etwa sieben Monate pro Jahr in

Betrieb ist. Die Investition für die Membrananlage betrug

ca. 700.000 Euro.

233

Molkerei Diary Crest Limited, Großbritannien

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2003

Kapazitätserweiterung der Abwasserbehandlungsanlage

486 m2

Rohrmodule

ca. 50 m3/h

Flotation

Erhöhung der Produktionskapazität am gleichen Standort


Die Fa. Dairy Crest ist eine der führenden Molkereien in

England und hat am Standort Camelford in der David-

stow Creamery ihre Produktionskapazität erhöht. Mit der

Produktionskapazität stiegen auch der Abwasseranfall

und die enthaltenen Frachten. Da die Kläranlage der Fir-

ma Dairy Crest nicht über entsprechende Reservekapa-

zitäten verfügte, musste diese erweitert werden. Es wurde

das gleiche Verfahrenskonzept zur Abwasserbehandlung

wie bei Dairygold Food Products, Irland, umgesetzt.

Die ursprünglich bestehende konventionelle Belebungs-

anlage war zweistraßig ausgeführt. Eine der Straßen wurde

bei der Erweiterung durch eine BIOMEMBRAT®-Anlage

ersetzt (Abbildung 3-49). Des Weiteren wurde der biologi-

schen Reinigungsstufe eine Flotation vorgeschaltet, um

Fette und Schwebstoffe abzuscheiden und somit die nach-

geschalteten Reinigungsstufen zu entlasten.

Nach der Flotation wird der Abwasserstrom von ca.

2.000 m3/d aufgeteilt. Der bestehenden konventionellen

Anlage werden 800 m3/d und der neu errichteten Mem-

branbiologie 200 m3/d zugeführt und behandelt. Der

Ablauf der zwei parallel betriebenen Anlagen wird an-

schließend zusammengeführt und in den Vorfluter einge-

leitet. Die Membrananlage besteht aus drei Straßen, in

denen Rohrmodule mit einer Membranfläche von 162 m2

pro Straße eingesetzt werden. Die Erweiterung der Anlage

um eine vierte Straße ist möglich.

Die BIOMEMBRAT ®-Anlage in der Davidstow Creamery

in Camelford reduziert die zulaufende CSB-Fracht um

ca. 98 % und die Nges- und Pges-Frachten um jeweils ca.

90 %. Die Anforderungen an die Ablaufwerte für BSB5

< 10 mg/l, NH4-N < 6 mg/l werden somit sicher eingehalten.

Die Investition für die Membrananlage betrug 550.000 Euro.

UF3.6.1.4


234

Rezirkulation (RZ)



Nachklärbecken

Rezirkulation (RZ)

Vorfluter

Membranstufe

Puffer Flotation


Abb. 3-49

Verfahrensschema der Abwasserbehandlung bei Diary Crest, Großbritannien


Mälzerei Sobelgra n. v., Belgien

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2004

Kompakte, Platz sparende und leistungsfähige Abwasserbehandlungsanlage,

Vorbehandlung vor einer geplanten Umkehrosmoseanlage

8.000 m2

Getauchte Kapillarmembranen

80 – 100 m3/h

Bogensieb

Erweiterung der Abwasserbehandlungskapazität ohne größere bautechnische Maßnahmen

am Standort, spätere Nutzung eines Teils des aufbereiteten Abwassers


UF3.6.1.5


Die belgische Mälzerei Sobelgra liegt im Antwerpener

Hafen und gehört zur Boortmalt-Gruppe. Sobelgra produ-

ziert Malz für Brauereien und vergrößert aktuell die Pro-

duktion von 110.000 auf 250.000 t/a, wodurch das Werk

zur größten unabhängigen Mälzerei in Belgien wird.

Im Zuge der Produktionserweiterung musste auch die

Kapazität der bestehenden Werkskläranlage verdoppelt

werden. Aufgrund der beschränkten räumlichen Gegeben-

heiten auf dem Fabrikgelände (Abbildung 3-50) konnte

die Kläranlage nicht nach dem konventionellen Belebungs-

verfahren erweitert werden. Für die Installation des Mem-

branbelebungsverfahrens sprachen insbesondere die

kompakte Anlagengröße und die hohe volumenspezifi-

sche Abbaukapazität.

Die Werkskläranlage behandelt Abwasser aus der Gerste-

verarbeitung mit einer Kombination aus mechanischer

Vorsiebung, biologischer Stufe und Membranfiltration

(Abbildung 3-51).

Nach einer Entfernung der groben Verunreinigungen

durch zwei Bogensiebe (Maschenweite 1,0 mm) gelangt

das Abwasser in die Belebungsstufe der Anlage, die aus

zwei in Reihe geschalteten Becken zur Denitrifikation

und Nitrifikation besteht. Der Belebungsstufe ist die

Membranstufe nachgeschaltet, die der Abtrennung des

Belebtschlamms dient. Die sechzehn Kapillarmembran-

modulen (Abbildung 3-52) der Firma PURON AG wurden

in zwei separaten Kammern installiert. Eine dritte Kam-

mer steht für zukünftige Erweiterungen der Anlage zur

Verfügung (in Abbildung 3-51 gestrichelt dargestellt).

Die Kammern werden von unten beschickt, so dass der

Belebtschlamm die Membranmodule von unten nach

oben über- bzw. durchströmt. Dabei wird das Permeat

über einen Unterdruck aus den Membranmodulen abge-

saugt. Der sich dabei aufkonzentrierende Belebtschlamm

wird in die Belebungsbecken zurückgeführt. Die Mem-

branfläche in den getauchten Modulen beträgt 8.000 m2

und kann das gesamte Abwasser des Unternehmens auf-

bereiten. Die Anlage verfügt damit über eine Kapazität

von mehr als 2.000 m3/d. Um die Filtrationsleistung der

Membranmodule aufrechtzuerhalten, erfolgt in regelmä-

ßigen Intervallen eine Filtratrückspülung kombiniert mit

einer Luftspülung der Membranmodule. Die Kammern

können für Reinigungs- und Wartungszwecke unabhän-

gig voneinander entleert werden.

Nach Installation der geplanten Umkehrosmoseanlage

können etwa 80 % des gereinigten Abwassers in der Pro-

duktion wiedereingesetzt werden.

235

Abb. 3-50

Luftaufnahme der Mälzerei Sobelgra im Antwer-

pener Hafen [Foto: PURON AG]

Abwasser

Rezirkulation (RZ)

Gebläse-station

Bogensieb 1,0 mm

Bogensieb 1,0 mmBelebungsstufe

Membranstufe

Wiederverwendung

Abb. 3-51

Verfahrensschema der Werkskläranlage der Fa. Sobelgra [nach PURON AG]


236

Abb. 3-52

Schema der Membranbelebungsanlage (links) und Membranmodule (rechts) [Foto: PURON AG]


Wäscherei Massop, Niederlande

Über einen (integrierten) zweistufigen Filter (Flusensieb)

gelangt das Abwasser in die Umkehrosmoseanlage, welche

mit Wickelmodulen aus Polyethylen-Membranen ausge-

stattet ist. Unter einem Betriebsdruck von 10 bar wird auf

der 250 m2-Membranfläche pro Stunde ein Permeat-Volu-

menstrom von etwa 8 m3 erreicht. Das anfallende Permeat

wird als Waschwasser wiederverwendet und das Retentat

in das öffentliche Kanalnetz eingeleitet.

Die Membranen werden einmal täglich gespült und alle

drei Monate chemisch mit handelsüblichen Produkten

gereinigt. Der Praxisbetrieb hat gezeigt, dass unter diesen

Bedingungen die Standzeit der Membranen zwei Jahre

beträgt.

Das folgende Beispiel beschreibt den Einsatz der Mem-

brantechnik zur Aufbereitung von Wäschereiabwasser.

Die beschriebene Anlage wird in einer Wäscherei in den

Niederlanden eingesetzt und steht stellvertretend für

zwei gleiche Anlagen, die in einer Wäscherei in Lemgo

und in einer Wäscherei in Olsberg realisiert wurden. Die

Realisierung wurde durch Mittel eines Förderprogramms6)

des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirt-


Westfalen (MUNLV) unterstützt.

Bei der Firma Massop in Kerkrade wird Wäsche aus dem

Krankenhaus- und Hotelbetrieb gereinigt. Das Abwasser

aus dem Waschbetrieb ist mit Schmutzstoffen, Tensiden,

Bakterien und Salzen belastet und muss gereinigt werden.

Die Einsparmöglichkeit von Wasser und Energie war der

Anlass für den Einsatz einer Membrananlage. Bei der Pla-

nung musste vor allem die enge Wechselbeziehung zwi-

schen der Membran und dem eingesetzten Waschmittel

berücksichtigt werden. Für die parallele Entwicklung der

Umkehrosmoseanlage (Abbildung 3-53) und des pas-

senden Waschmittels kooperierte die Firma Henkel-Ecolab

GmbH & Co. OHG (Wasch- und Waschhilfsmittelherstel-

lung) mit der Firma Wientjens, NL. Die Anlage wird seit

1998 mit gutem Erfolg betrieben und dient zur Aufberei-

tung des Wassers und zur Wiederverwendung als Brauch-

wasser im Waschprozess.

237

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

1998

Einsparung von Wasser und Energie

Ca. 250 m2

Wickelmodule

8 m3/h

Integrierter zweistufiger Filter (Flusensieb)

Einsparung von Frischwasser, Energie und Chemikalien


6) Förderprogramm zum Produktionsintegrierten Umweltschutz (PIUS): „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft NRW“.

Abb. 3-53

Umkehrosmoseanlage in der Wäscherei Massop,

Kerkrade [ROTH 2001]

UO3.6.2


Der Einsatz der Umkehrosmose zur Reinigung des Abwas-

sers und der Wiedereinsatz als Brauchwasser bedeuten

ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Neben einem

geringeren Waschmitteleinsatz werden Wasser (80 %),

Energie (50 %) und Enthärtungschemikalien (80 %) einge-

spart. Die Anlage in Kerkrade ist geleast und stellt für den

Betreiber eine wirtschaftliche Lösung dar. Je nach Stand-

ort und Rahmenbedingungen, wie z. B. den Wasser-, Ab-

wasser- und Energiekosten, ist die Amortisationszeit der

Anlage unterschiedlich lang und für den Einzelfall zu

bestimmen.

Die Firma Sandoz (ehemals Fa. Biochemie) ist mit welt-

weit rund 13.000 Mitarbeitern im Bereich der Entwick-

lung und Herstellung pharmazeutischer, biopharmazeuti-

scher und industrieller Produkte tätig und produziert in

Barcelona Penicillin zur Herstellung von Medikamenten.

Die Abwässer aus der Produktion wurden am Standort

Barcelona bisher konventionell gereinigt, wobei die Qua-

lität des gereinigten Abwassers sehr stark schwankte. Die

geplante Vergrößerung des Produktionsvolumens am

Standort Barcelona erforderte auch eine Erweiterung der

betriebseigenen Kläranlage, die aufgrund des begrenzten

Platzangebots nach konventioneller Verfahrenstechnik

nicht möglich war. So wurde die Errichtung einer Mem-

branbelebungsanlage beschlossen, die im Februar 2003 in

Betrieb genommen wurde.

Das Membranbelebungsverfahren unter Einsatz von

getauchten Plattenmodulen der Firma Kubota wurde im

Rahmen von Pilotversuchen im Vergleich mit anderen

Modulsystemen am Standort der Firma Sandoz in Kundl

untersucht und bereits 1999 großtechnisch umgesetzt.

Die Abwasserbehandlungsanlage in Kundl wurde im Jahr

2002 auf eine Membranfläche von 1.440 m2 erweitert.

Die Membranbelebungsanlage am Standort Barcelona

wurde aufgrund der Erfahrungen in Kundl und der ver-

gleichbaren Randbedingungen ohne Pilotierung mit einer

Membranfläche von 1.440 m2 ausgerüstet. Abbildung

3-54 zeigt das Verfahrensschema der Membranbelebungs-

anlage am Standort Barcelona.

Die Entwicklung und Anwendung von Membranverfahren

zur Reinigung von Wäschereiabwässern wird heute kon-

zentriert verfolgt. Neben dem beschriebenen existieren

weitere Membranverfahren zur Reinigung von Wäscherei-

abwasser bzw. befinden sich in der Entwicklung. Entschei-

dend bei der Planung ist die Berücksichtigung der Wech-

selbeziehung zwischen der Membran und dem eingesetz-

ten Waschmittel, so dass eine Kooperation zwischen dem

Anlagenbauer bzw. Membranhersteller und dem Wasch-

mittelhersteller unentbehrlich ist.

238

Pharmazeutische Industrie, Penicillinproduktion

bei der Firma Sandoz, Spanien

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2003

Erweiterung der Abwasserbehandlungskapazität am Standort der Werkskläranlage

1.440 m2

Getauchte Plattenmodule

ca. 400 m3/d

Standortsicherung bei Produktionserweiterung


MF3.6.3


Der Abwasservolumenstrom mit etwa 400 m3/d gelangt

nach der Behandlung in der aus drei Reaktoren bestehen-

den Hochlastbiologie in die Membrantrennstufe. Der TS-

Gehalt in den Belebungsbecken wurde für den Betrieb der

Membrananlage von ca. 6 g/l auf 12 – 16 g/l angehoben.

Damit soll die biologische Abbaukapazität der Kläranlage

etwa verdoppelt werden. Die Membrananlage ist zwei-

straßig aufgebaut und besteht aus sechs Plattenmodulen

der Firma Kubota des Typs EK300. Im Betrieb wird bei

einem konstanten transmembranen Druck von 0,05 –

0,15 bar filtriert. Die chemische Reinigung erfolgt voll

automatisch zweimal pro Jahr in situ. Das Permeat wird

in eine kommunale Kläranlage zur weiteren Behandlung

abgeleitet.

239

Membranstufe

Abwasser

Belebung

1

2

3

Gebläse-station

Gebläse-station Vorfluter

Rezirkulation (RZ)

Abb. 3-54

Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage in Barcelona [nach AGGERWASSER GMBH 2004]

Abb. 3-55

Membranbelebungsanlage und Membranmodule während der Bauphase bei der Fa. Sandoz in Spanien

[Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004]


3.6.4

Sonstiges

Tierkörperbeseitigungsanlage der

SARIA Bio-Industries, Frankreich

Bei der Tierkörperbeseitigung fallen hoch belastete Ab-

wässer an, die u. a. Ammoniumkonzentrationen von 200

bis 4.700 mg/l und CSB-Konzentrationen von 1.800 bis

26.500 mg/l aufweisen [ATV 1986].

Die SARIA Bio-Industries betreibt in Bayet, Zentralfrank-

reich eine Tierkörperbeseitigungsanlage (TBA). Am Stand-

ort Bayet werden jährlich bis zu 240.000 t Schlachtabfälle

und verendete Tiere verarbeitet. Dabei fallen täglich rund

1.100 m3 Produktionsabwasser mit einer mittleren CSB-

Konzentration von 16.000 mg/l an. Vor dem Hintergrund

steigender Anforderungen an die Ablaufqualität und

wachsender betrieblicher Kapazitäten musste die Abwas-

serbehandlungsanlage am Standort Bayet an den Stand

der Technik angepasst werden.

Die Entscheidungsträger der TBA entschlossen sich im

Jahr 2000 zum Umbau der vorhandenen Kläranlage zur

Membranbelebungsanlage und erweiterte diese nach

erfolgreichem zweijährigen Betrieb bereits im Jahr 2002.

Die einzelnen Abwasserströme aus der TBA werden teil-

weise mittels Flotation vorbehandelt, über ein Feinsieb

mechanisch gereinigt und in einem Misch- und Speicher-

becken vergleichmäßigt. Das so vorbehandelte Abwasser

wird in ein 4.000 m3 großes Belebungsbecken gefördert,

in dem der Abbau der organischen Substanzen erfolgt

(Abbildung 3-56). Anschließend wird der Belebtschlamm

zum Schutz der Membranen vor Grobstoffen über ein

Bogensieb mit einer Lochweite von 750 µm im freien

Überlauf in die Membranstufe geführt. Die Membranstufe

ist vierstraßig ausgeführt (Abbildung 3-57). Jede Straße ist

in einem Filtrationscontainer untergebracht und enthält

Kapillarmembranmodule der Firma Zenon (Abbildung

3-58). Derzeit sind rund 1.800 m2 Membranfläche in zwei

Straßen installiert. Dabei besteht Membranstraße 1 aus

vier getauchten Modulen des Typs 500a und die Straße 2

aus zwei getauchten Modulen des Typs 500c.

Durch die Behandlung der Abwässer in der Membranbe-

lebungsanlage werden CSB-Ablaufkonzentrationen von

< 300 mg/l erreicht. Damit wird die CSB-Fracht in der An-

lage um 98 % reduziert.

240

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2000, Erweiterung 2002

Einhaltung steigender Anforderungen an die Ablaufqualität und Anpassung an Kapazitätserweiterung

1.800 m2

Getauchte Kapillarmodule

ca. 40 – 50 m3/h

Feinsieb

Wirtschaftliche Erweiterung und Anpassung der Abwasserbehandlungsanlage

an den Stand der Technik


UF3.6.4.1


241

Zulauf

Belebungsbecken4.000 m3

Feinsieb750 µm

Vorfluter

Gebläse-station

Gebläse-station

Rezirkulation (RZ)

Abb. 3-56

Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei SA-RIA Bio-Industries in Bayet


Abb. 3-57

Gesamtansicht der Membranbelebungsanlage

der TBA in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004]

Abb. 3-58

Container mit eingebauten Modulen bei SARIA

Bio-Industries in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004]



3.6.4.2

Mechanisch biologische Abfallbehandlungsanlage

(MBA)

Die mechanisch-biologische Abfallbehandlungsanlage

(MBA) hat sich in Europa zur Aufbereitung von Sied-

lungsabfällen etabliert. Die biologische Umsetzung kann

in Kompostierungsanlagen (aerob) oder in Vergärungsan-

lagen (anaerob) erfolgen. Durch den biologischen Abbau

der organischen Inhaltsstoffe in einer MBA sollen das

Abfallvolumen reduziert und ein stabilisiertes Endpro-

dukt erzeugt werden. Bei der biologischen Umsetzung

und der Entwässerung entsteht ein komplexes, hoch

belastetes Abwasser.

Je nach Aufbereitungsverfahren fällt im Mittel rund die

Hälfte des behandelten Abfalls als behandlungsbedürftiges

Abwasser an. Die Zusammensetzung des Abwassers hängt

in erster Linie vom Rohabfall (Wassergehalt, organischer

Anteil) und vom Vergärungsverfahren (nass, trocken) ab.

Die Konzentrationen der einzelnen Parameter weisen da-

bei eine hohe Variationsbreite auf. Grundsätzlich folgen

aus einer intensiveren Umsetzung auch höhere Schadstoff-

konzentrationen im Prozessabwasser.

242

Abfallentsorgung bei der Firma Tirme, Spanien

Inbetriebnahme

Ziele

Membranfläche

Module

Permeatvolumenstrom

Vorbehandlung

Nutzen

2004

Kreislaufführung von Produktionswasser

100 m2

Rohrmodule

5 – 6 m3/h

Feinsieb, Trenngrenze 200 µm

Einsparung von Frischwasser und Abwasser


Die Firma TIRME betreibt auf Mallorca neben einer Ab-

fallverbrennungsanlage auch eine Anlage zur Stofftren-

nung und mechanisch-biologischen Abfallbehandlung

(MBA). Jährlich fallen an diesem Standort ca. 45.000 m3

hoch belastetes Abwasser an, welches hauptsächlich aus

der MBA-Anlage stammt. Darüber hinaus fallen auch

Abwässer aus der Hof- und Fahrzeugreinigung sowie der

Abluftbehandlung an. Die vielfältige Stoffzusammenset-

zung des Abwassers erfordert eine Kombination von

Reinigungsverfahren.

Für das MBA-Verfahren wird verfahrensbedingt stickstoff-

freies Prozesswasser benötigt. Die von der Fa. Wehrle

Umwelt GmbH neu installierte Abwasserbehandlungsan-

lage bereitet die Abwässer so auf, dass dafür ein Teil des

gereinigten Abwassers genutzt werden kann. Die Anlage

besteht aus einer mechanischen Vorreinigung, einer

Belebungsstufe und einer Ultrafiltrationsanlage (Abbil-

dung 3-59).

Die Abwasserbehandlungsanlage ist für einen Durchsatz

von rd. 45.000 m3/a bzw. 140 m3/d Abwasser mit einer

CSB-Konzentration von 7.300 mg/l und NH4-N-Konzen-

tration von 2.500 mg/l ausgelegt. Im Ablauf muss die

CSB-Konzentration unter 1.500 mg/l liegen, was einer

Verringerung von ca. 80 % entspricht. Ammonium wird

vollständig abgebaut, um das gereinigte Abwasser als

Prozesswasser in der MBA wieder einzusetzen.

Die mechanische Vorbehandlung des Abwassers erfolgt

durch Sedimentation mit anschließender Filtration über

ein Feinsieb mit einer Trenngrenze von 200 µm. Das

UF3.6.4.2.1


mechanisch gereinigte Abwasser der MBA-Anlage wird

dann in der Belebungsstufe behandelt, die aus einer vor-

geschalteten Denitrifikation mit anschließender Nitrifika-

tion (Abbildung 3-60) besteht. Der Belebtschlamm wird

in der anschließenden zweistraßigen Ultrafiltrations-

anlage (Abbildung 3-60) abgetrennt. Die Filtrationsstra-

ßen bestehen aus je vier Rohrmodulen und können un-

abhängig voneinander betrieben und gereinigt werden.

Die Membrananlage wird im Cross-Flow-Verfahren mit

einem mittleren Transmembrandruck von 4 bar betrieben,

wobei die Membranen mit einer Geschwindigkeit von

5 m/s überströmt werden. Die gesamte Membranfläche

beträgt ca. 100 m2. Der anfallende Überschussschlamm

wird über die biologische Stufe der MBA entsorgt.

Die Investition für die Anlagentechnik betrug 850.000Euro.

Die Betriebskosten sind vom Anlagenlieferanten mit

4 – 5 s/m3 kalkuliert worden, können aber erst nach län-

gerer Laufzeit der Anlage genauer angegeben werden.

243

Zulauf

Vorfluter

Rezirkulation (RZ)

Ultrafiltrations-anlage

Feinstsieb200 µm

Nitri-fikation

Denitri-fikation

Belebungsbecken

Ultrafiltrations-anlage Zur MBA

ÜSS

Abb. 3-59

Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Firma TIRME, Spanien


Abb. 3-60

Abwasserreinigungsanlage bei der Firma Tirme [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004]

links: Membrananlage; rechts: Bioreaktoren


244

Richtlinien und Normen in der Membrantechnik

4

Richtlinien und Normen in der Membrantechnik4

Wie die vorstehenden Kapitel zeigen, sind die Einsatzberei-

che der Membrantechnik zur Abwasseraufbereitung und

die mit ihr verfolgten Ziele vielfältig (siehe 3.2). Für jeden

Anwendungsfall muss der Einsatz einer Membrananlage

geprüft und der spezifischen Aufgabenstellung angepasst

werden, wodurch das Fehlen von DIN-Normen und die

geringe Anzahl vorhandener Richtlinien erklärt werden

kann. Eine Standardlösung für die Anwendung der Mem-

brantechnik und die Auslegung einer Membrananlage

existiert nicht, es kann aber für einzelne Anwendungen

bereits auf viele Erfahrungen zurückgegriffen werden.

Die baulichen Anforderungen an Membrananlagen sind

durch Richtlinien aus dem Anlagenbau festgelegt. Die

Bemessung von Anlagen mit einer bestimmten Leistungs-

fähigkeit und die Anforderungen an eine Membran rich-

ten sich nach dem jeweils definierten Ziel und den Rah-

menbedingungen.

Das vorrangige Ziel in der Abwasseraufbereitung bzw.

-behandlung besteht in der Einhaltung vorgegebener

Grenzwerte, die in den Bedingungen für die Einleitung in

Gewässer [ABWV 2002] und in das öffentliche Kanalnetz

(Indirekteinleiterverordnungen der Länder und Satzungs-

rechte) definiert sind und auf § 7a des Wasserhaushalts-

gesetzes [WHG 1996] basieren. Es gibt Merkblätter mit

Empfehlungen für die Behandlungsmöglichkeiten der

charakteristischen Emissionen einzelner Industriezweige,

um diese Grenzwerte einhalten zu können. In einigen

Merkblättern wird auch der Einsatz von Membranverfah-

ren genannt, so z. B. zur Behandlung von Emissionen aus

der metallverarbeitenden Industrie [ATV-DVWK 2000b].

Bemessungshinweise sind jedoch nicht vorhanden.

Zum Thema der Membrantechnik in der Abwasserbe-

handlung haben sich bei der DWA der Fachausschuss

KA-7 „Membranbelebungsverfahren“ und die

Arbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“ gebildet.

Der erstgenannte Fachausschuss hat für das Membranbe-

lebungsverfahren bereits zwei Arbeitsberichte „Membran-

belebungsverfahren“ veröffentlicht [ATV-DVWK 2000a;

DWA 2005]. Die Berichte enthalten Grundlagen zum

Membranbelebungsverfahren, Bemessungsansätze und

notwendige Vorbehandlungsmaßnahmen. Die Bemes-

sungsansätze beziehen sich nicht auf die Auslegung der

eingesetzten Membran, sondern auf die Änderung der

Belebungsbeckendimensionierung gegenüber dem kon-

ventionellen Belebungsverfahren. Die Änderung ergibt

sich aus dem möglichen höheren Trockensubstanzgehalt

und besteht im Wesentlichen aus einem anderen Berech-

nungsansatz für die Überschussschlammproduktion und

den Sauerstoffverbrauch sowie in der Definition eines

minimalen Schlammalters und einer minimalen Über-

schussschlammproduktion.

Die DWA-Arbeitsgruppe IG 5.5 „Membrantechnik“ hat

einen Arbeitsbericht unter dem Titel „Aufbereitung von

Industrieabwässern und Prozesswasser mit Membranver-

fahren und Membranbelebungsverfahren“ erarbeitet

[ATV-DVWK 2002]. Dieser Arbeitsbericht besteht aus zwei

Teilen. Teil 1 befasst sich mit Membranverfahren zur Ab-

trennung von ungelösten, kolloidalen oder gelösten Stof-

fen. In Teil 2 wird speziell auf das Membranbelebungsver-

fahren eingegangen. Hier wird insbesondere auf die Unter-

schiede hingewiesen, die sich bei der Anwendung des

Membranbelebungsverfahrens zur Reinigung industrieller

Abwässer gegenüber kommunalen Abwässern ergeben.

Wegen der Vielfalt der Anwendungsfälle und der Unter-

schiedlichkeit der Abwässer werden diese Arbeitsberichte

keine Bemessungsrichtlinien enthalten können. Sie geben

jedoch Hinweise auf besonders geeignete und auch auf

eher ungeeignete Anwendungsfälle und listen Einsatz-

beispiele auf.

Weitere Richtlinien, die den Einsatz der Membrantechnik

in der Abwasser- und Wasserbehandlung betreffen, werden

im Folgenden kurz beschrieben.

Für den Einsatz der Membrantechnik in der Deponie-

sickerwasserbehandlung hat der Verband Deutscher

Maschinen- und Anlagenbau e.V. ein Einheitsblatt heraus-

gegeben [VDMA 1994]. Dieses Einheitsblatt versteht sich

als vorläufige Richtlinie, die bei Beratungen zur Normung

oder zur Präzisierung europäischer Normen herangezogen

werden kann. Die darin enthaltenen Hinweise zur

Dimensionierung von Membrananlagen sind qualitativer

Art. Zum einen werden die zu bestimmenden Größen

genannt (erforderliche Membranfläche, mengenmäßige

Abschätzung der Volumenströme für Permeat und Reten-

tat bzw. Konzentrat) und zum anderen die notwendigen

Planungsschritte (Laborversuche, Pilotanlage und Techni-

246

Richtlinien und Normen in der Membrantechnik 4

kumversuche vor Ort, siehe auch 3.3). Besonders betont

wird, dass zur Ermittlung der Betriebsparameter (z. B.

Betriebsdruck, Überströmgeschwindigkeit, Prozesstempe-

ratur, spezifischer Permeatfluss) aus der Praxis bekannte

oder in Versuchen ermittelte Werte herangezogen werden

sollen, wobei die Randbedingungen sorgfältig zu prüfen

sind, unter denen diese Werte zustande gekommen sind

[VDMA 1994]. Diese Vorgehensweise bei der Planung von

Membrananlagen kann auf alle anderen Einsatzbereiche

übertragen werden.

Des Weiteren hat der Arbeitskreis „Membrantechnik“ der

Bundesvereinigung der Firmen im Gas und Wasserfach e.V.

(FIGAWA)1) einige Merkblätter sowie Technische Mittei-

lungen zum Thema der Membrantechnik in der Wasser-

und Abwasseraufbereitung herausgegeben. In verschiede-

nen Mitteilungen werden die elektrochemische Entsal-

zung [FIGAWA 1999], die Umkehrosmose [FIGAWA

1996a; FIGAWA 1996b; FIGAWA 1985], die Crossflow-

Mikrofiltration [FIGAWA 1992], die Elektrodialyse und

Diffusionsdialyse [FIGAWA 1991] und Membranprozesse

(RO, UF, Elektrodialyse) in der Frisch- und Abwasserauf-

bereitung [MARQUARDT 1988] erläutert. In allen Techni-

schen Mitteilungen und Merkblättern werden neben der

Funktionsweise des jeweiligen Verfahrens die Einsatzmög-

lichkeiten genannt, wobei auch hier keine konkreten

Dimensionierungshinweise enthalten sind.

247

1) FIGAWA: unabhängiger technisch-wissenschaftlicher Fachverband, 1926 gegründet. Hauptaufgabe ist die Förderung der Technik und Wissenschaft im

Gas- und Wasserfach. Der Arbeitskreis „Membrantechnik“ wurde 1975 innerhalb der Fachgruppe „Wasseraufbereitung“ gegründet und begleitet im Fach

kontinuierlich die einschlägige Regelwerksgebung sowie die technische Weiterentwicklung der entsprechenden Anlagen und Geräte [FIGAWA 1999].

Richtlinien und Normen in der Membrantechnik4

248

Zusammenfassung und Ausblick 5

Zusammenfassung und Ausblick5

Die Membrantechnik stellt heute für viele Bereiche eine

bewährte Alternative zu klassischen Verfahren in der kom-

munalen und industriellen Abwasserreinigung dar und

kann zur Reduzierung der Ver- und Entsorgungs- sowie

Produktionskosten und Minderung von Umweltbelastun-

gen beitragen. Die vorliegende Publikation gibt eine Ein-

führung in die Membrantechnik und ihren Einsatz in der

kommunalen und industriellen Abwasserreinigung in

Deutschland gemäß dem Stand der Technik und der

Wissenschaft. Die Einsatzfähigkeit und Leistungsfähigkeit

von Membrananlagen wird an großtechnisch realisierten

Anlagen aus dem kommunalen und industriellen Bereich

beispielhaft gezeigt.

Der Anteil der kommunalen an den weltweit zur Abwas-

serbehandlung eingesetzten Membrananlagen ist derzeit

aufgrund wirtschaftlicher Aspekte, insbesondere was den

Membranersatz und den Energiebedarf betrifft, noch

gering. Bei bestimmten Randbedingungen kann sich der

Einsatz von Membranverfahren bei der kommunalen

Abwasserreinigung jedoch als wirtschaftlich erweisen:

Dazu gehören weitergehende oder zusätzliche Anforde-

rungen an die Ablaufqualität, ein geringes Flächenange-

bot für den Anlagenneubau bzw. die Anlagenerweiterung

und Möglichkeiten zur anschließenden Verwendung des

gereinigten Abwassers.

Die Anwendung der Niederdruck-Verfahren hat gezeigt,

dass Abwasserreinigung mit Membrantechnik mit hoher

Biomassenkonzentration im Belebungsbecken technisch

möglich und wirtschaftlich sein kann. Die mit einer

modernen konventionellen Anlage verbundenen Investi-

tionen und die einer Membranbelebungsanlage liegen

heute bereits in gleicher Größenordnung, wobei die

Behandlungskosten bei einer Membrananlage derzeit

noch etwas höher veranschlagt werden müssen. Zur

Reduzierung dieser Kosten, die eine Membranbelebungs-

anlage auch in wirtschaftlicher Hinsicht mit einer kon-

ventionellen Anlage konkurrieren lässt, müssen sich For-

schung und Entwicklung auf die Steigerung des Permeat-

flusses, die Senkung des spezifischen Energieverbrauchs

und die Erhöhung der Membranstandzeit konzentrieren.

Im Gegensatz zum kommunalen Bereich ist die Anwen-

dung der Membrantechnik in der Industrie äußerst viel-

fältig und durch zahlreiche Referenzen belegt. In der

industriellen Abwasseraufbereitung steht der Einsatz der

Membrantechnik oft im Zusammenhang mit produk-

tionsintegriertem Umweltschutz (PIUS). Da Wasser das

meistgenutzte Lösemittel darstellt, ist es Ziel des PIUS, die

z. T. gelösten Stoffe zu vermeiden oder, sofern dies nicht

möglich ist, wieder aus dem Wasser herauszutrennen und

auf diese Weise eine Kreislaufführung des Wassers zu er-

möglichen. Selbst wenn sich kein vollständig geschlosse-

ner Kreislauf realisieren lässt, kann eine geschickte Mehr-

fachnutzung die Abwassermenge deutlich reduzieren.

Neben den in dieser Publikation gezeigten Beispielen exis-

tieren weitere Einsatzgebiete für die Membrantechnik.

Aufgrund der großen Auswahl an verfügbaren Memb-

ranen und Modulen lässt sich für fast jede Aufgabenstel-

lung ein technisch geeignetes System finden, das dann

auch unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichts-

punkten zu prüfen ist. Unabhängig vom Einsatzbereich

eines Membranverfahrens sollten der Auswahl stets eine

genaue Bestandsaufnahme der vorhandenen Rahmenbe-

dingungen und ein Wirtschaftlichkeitsvergleich zu alter-

nativen Verfahren vorausgehen. Zu betonen ist aber, dass

in der Mehrheit der Fälle keine Standardlösung existiert,

so dass für den erfolgreichen Betrieb einer Membranan-

lage immer eine ausführliche Pilotierung und Planung

unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen

durch Fachleute erforderlich ist. Versuche im labor- und

halbtechnischen Maßstab tragen dazu bei, ein praktika-

bles System mit mehr Sicherheit zu planen. Besonderes

Augenmerk gilt dem Bedarf an Energie und Reinigungs-

chemikalien sowie der Standzeit der Membranen. Stei-

gende Wasser- und Abwasserkosten sowie fallende Mem-

branpreise führen allerdings zu einer stetigen Verbesse-

rung der wirtschaftlichen Situation von Membranverfah-

ren im Vergleich zu anderen Abwasserbehandlungs- bzw.

-aufbereitungsverfahren.

Die Entwicklung der Membrantechnik im Bereich der

Wasser- und Abwasseraufbereitung ist nicht abgeschlos-

sen. Der Ausblick für die nahe Zukunft lässt ein noch

breiter gefächertes Anwendungsspektrum erwarten. Auf-

gabenstellungen, die in der Vergangenheit aufgrund der

Beschaffenheit der aufzubereitenden Flüssigkeiten dem

Einsatz von Membranverfahren entzogen waren, können

durch die fortlaufende Entwicklung von Membranmateri-

alien und Modulkonstruktionen einerseits und von Pro-

250

Zusammenfassung und Ausblick 5

zessgestaltung und Verfahrenstechnik andererseits gelöst

werden. Es ist daher wichtig, neben der Beurteilung lau-

fender Anlagen stets auch technische Neuentwicklungen

aufmerksam zu verfolgen und zu prüfen. Forschungsbe-

darf besteht bei der Anlagenauslegung und den betriebs-

bestimmenden Parametern sowie bei der Kontrolle von

Foulingeffekten.

251

Zusammenfassung und Ausblick5

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handlung. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann, M.



Resch, H. (2002): Angaben zu Planungsdaten der Klär-

anlage Monheim, persönliche Mitteilung, Januar 2002,

Weißenburg.

Rochem UF (2004): persönliche Mitteilung und Fotos

der Firma Rochem UF-Systeme GmbH, Hamburg

Roest, H. van der (2001): Membranbioreaktor-Techno-

logie beim Einsatz zur Reinigung kommunaler Abwässer.

In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 4.

Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA

RWTH Aachen.

Roest, H. van der; Lawrence, D.; Bentem, A. van

(2002): Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater

Treatment. STOWA Report, Nov. 2002.

Rosenwinkel, K.-H.; Gigerl, T.; Baumgarten, G.

(1997): Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Membran-

technik bei der Abwasserbehandlung. In: Melin, T.;

Rautenbach, R.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur


RWTH Aachen.

260


Rosenwinkel, K.-H.; Baumgarten, G. (1998): Unter-

suchungen zum Betrieb konzentratgestufter Membran-

trennanlagen zur Abwasseraufbereitung unter besonderer

Beachtung der Möglichkeiten zur Konzentratentsorgung,

Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben AZ 896/95,

Juni 1998.

Rosenwinkel, K.-H.; Weichgrebe, D.; Brinkmeyer, J.

(2001): Prüfbericht über die praktische Prüfung der Klär-

anlage des Typs BioMIR® MF-HKA 4 der Firma Busse GmbH

nach DIN 4261 Teil 2, ISAH, Januar 2001.

Roth (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial zur

Membrananlage bei Massop in Kerkrade, Düsseldorf.

RP Tübingen (2004): persönliche Mitteilung von

Herrn Vogel, Regierungspräsidium Tübingen.

Schäfer, T.; Trauter, J.; Janitza, J. (1997): Aufarbei-

tung von Färbereiabwässern durch Nanofiltration, Textil-

veredlung, Jg. 32, Nr. 3/4, S. 79– 83.

Schering AG (2004): persönliche Mitteilung von Herrn

Dr. Neuhaus und Fotos des Unternehmens Schering AG,

Bergkamen.

Schirm (2001): persönliche Mitteilung, Eltmann.

Schilling, S. (2001): Einsatz eines Membranverfahrens

zur Aufbereitung des Kläranlagenablaufs zu Brauchwasser.

In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur


RWTH Aachen.

Schlegel, H.-G. (1976): Allgemeine Mikrobiologie.

Georg Thieme Verlag, Stuttgart.

Schmidt, R. (2002): persönliche Mitteilung, Vortrags-

unterlagen zum Chromdialyzer für die Fa. Atotech, Feucht.

Seyfried, A. (2002): Bemessung von Membranbio-

reaktoren kommunaler Kläranlagen. In: GWA, Bd. 188

zur 35. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft.

Specht, H. (1997): Wirtschaftlich weil abfallarm, Mem-

branfiltration und Vakuumverdampfung, mo metallober-

fläche, Jg. 51, Nr. 6, S. 410 – 415.

Stadt Dormagen (2004): persönliche Mitteilung von

Herrn Wedowski, Stadt Dormagen.

Stadtwerke Schramberg (2004): persönliche Mittei-

lung von Herrn Rosenboom und Fotos der Stadtwerke

Schramberg, Schramberg.

Starr, M. P., Stolp, H., Trüper, H. G., Balows, A.

(1981): The Prokaryotes, Vol. 1 and Vol. 2., Springer

Verlag, Berlin.

Stein, S. (2002a): Angaben zu Planungsdaten der Klär-

anlagen Markranstädt, Knautnaundorf und Markkleeberg,

persönliche Mitteilung, Januar 2002, Leipzig.

Stein, S. (2002b): Angaben zum Störfall (Herbst 2001)

auf der Kläranlage Knautnaundorf, persönliche Mitteilung,

Juni 2002, Leipzig.

Stein, S.; Walther, H.; Zastrow, P. (2001): Kläranlage

Markranstädt – Betriebsergebnisse einer Membranbele-

bungsanlage. In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleit-

band zur 4. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT

und ISA RWTH Aachen.

Stroh, N.; Walitza, E.; Brunner, H. (1997): Polymer-

membranen versus Keramikmembranen. In: Membran

HIT 97, 6. Hannoversche Industrieabwasser Tagung, Mem-

brantrennverfahren in der Industrieabwasserreinigung,

Veröffentlichungen des Instituts für Siedlungswasserwirt-

schaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Nr. 103.

Theilen, U. (2000): Einsatz von Membranverfahren bei

der Industrieabwasserbehandlung. In: ATV-DVWK Schrif-

tenreihe 20 zur ATV-Bundestagung 2000, S. 273 – 304.

Van Houtte, E.; Verbauwhede, J.; Bach, S.; Brock-

mann, M. (2004): Aufbereitung von gereinigtem Ab-

wasser zu Rohwasser für die Trinkwasserversorgung in

Flandern (Belgien), Korrespondenz Abwasser, Jg. 51, Nr. 7,

S. 754 – 759.

261


VA TECH WABAG (2002): persönliche Mitteilung und

Fotos der Anlage auf der Transeuropa; Fotograf: Ulrich

Metelmann.

VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und An-

lagebau e. V.) (1994): Anlagen zur Reinigung von

Deponiesickerwasser, VDMA-Einheitsblatt 24439, Oktober

1994.

VDP (Verband Deutscher Papierfabriken e. V.)

(2004): Statistiken der Branche der Papierindustrie,

Zahlen aus dem Jahr 2004. URL: www.vdp-online.de.

Verbandsgemeinde Bondorf (2004): persönliche Mit-

teilung von Herrn Vogel, Regierungspräsidium Tübingen.

Voßenkaul, K.; Melin, T.; Rautenbach, R. (2000):

Perspektiven der Membrantechnik im Wasserkreislauf

Schwimmbad. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann,

M. (Hrsg.): Begleitband zur 3. Aachener Tagung „Membran-


Voßenkaul, K.; Melin, T. (2001): Perspektiven für die

Membrantechnik in der Abwasserbehandlung, UP Umwelt

Praxis, Nr. 10, S. 36 – 40.

Waizenegger, K.; Marzinkowski, J. M.; Fiedler, P.;

Brille, F.; Saier, H.-D.; Pahl, S.; Peters, T. A.;

Baum, G. (2000): Recycling von Mischabwasser einer

Textilfärberei, Korrespondenz Abwasser, Jg. 47, Nr. 9,

S. 1.296 – 1.305.

Walther, H. (2001): Berücksichtigung der Membran-

technik im regionalen Abwasserentsorgungskonzept,

Korrespondenz Abwasser, Jg. 48, Nr. 8, S. 1.092 – 1097.

Wehrle Umwelt GmbH (2004): persönliche Mitteilung

von Herrn Wienands und Fotos der Firma Wehrle Umwelt

GmbH, Emmendingen.

WHG (1996): Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts

– Wasserhaushaltsgesetz, Fassung vom 12. November 1996,

BGBl I, S. 1.690.

Weise Water Systems GmbH (2004): persönliche

Mitteilung von Herrn Weise und Fotos der Firma Weise

Water Systems GmbH, Langgöns-Oberkleen.

Wozniak, T.; Baumgarten, S. (2001): Zweijährige

Betriebserfahrungen mit der Membrantechnik auf der

Kläranlage Büchel. In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.):

Begleitband zur 4. Aachener Tagung „Membrantechnik“,

IVT und ISA RWTH Aachen.

Wozniak, T. (2002): Persönliche Mitteilungen, u. a.

zum Störfall auf der Kläranlage Swanage, Juni 2002.

WVER (2004): Persönliche Mittelungen von Herrn Rolfs,

Wasserverband Eifel-Rur, Düren.

ZENON (2002): Verschiedene Informationen der Firma

ZENON, Hilden.

ZENON GmbH (2004): Verschiedene Informationen der

Firma ZENON GmbH, Hilden.

ZKR – Zentralkommission für die Rheinschiff-

fahrt (2000): Übereinkommen über die Sammlung,

Abgabe und Annahme von Abfällen in der Rhein- und

Binnenschifffahrt vom 9. September 1996; Straßburg

2000.

262

Anhang A

AnhangA

A.1

Adressen (genannt in den Praxisbeispielen)

A.1.1

Standorte der Membrananlagen in Deutschland

Kommunale Abwasserreinigung

KA Büchel

KA Seelscheid

KA Kaarst

KA Rödingen

KA Glessen

KA Knautnaundorf

KA Markranstädt

KA Simmerath

KA Konzen

KA Rurberg-Woffelsbach

KA Geiselbullach

KA Monheim

Aggerverband

Postfach 340240

51624 Gummersbach

Herr Dr. Scheuer

www.aggerverband.de

Erftverband

Paffendorfer Weg 42

50126 Bergheim

Herr N. Engelhardt

Frau K. Drensla

www.erftverband.de

KW Leipzig GmbH

Johannisgasse 7 – 9

04103 Leipzig

Frau S. Stein

www.wasser-leipzig.de

Wasserverband Eifel Rur

Eisenbahnstraße 5

52325 Düren

Herr T. Rolfs

www.wver.de

Amperverband

Verwaltung Eichenau

Bahnhofstraße 7

82223 Eichenau

Herr T. Kopmann

www.amperverband.de

Stadt Monheim

Marktplatz 23

86653 Monheim

Herr Wild

www.monheim.de

KA Schramberg-Waldmössingen

KA Xanten-Vynen

KA Eitorf

KA Kohlfurth

KA Merklingen

KA Richtheim

Stadtwerke Schramberg

GmbH & Co. KG

Am Hammergraben 8

78713 Schramberg

Herr Rosenbohm

www.stadtwerke-schramberg.de

Linksniederrheinische Entwässe-

rungs-Genossenschaft (LINEG)

Friedrich-Heinrich-Allee 64

47475 Kamp-Lintfort

Herr Dr. Kühn

www.lineg.de

Gemeindewerke Eitorf

Ver- und Entsorgungsbetriebe

Auf dem Erlenberg 3

53783 Eitorf

Herr Neulen

www.eitorf.de

Wupperverband

Untere Lichtenplatz Straße 100

42289 Wuppertal

Herr Dr. Erbe

www.wupperverband.de

Gemeinde Merklingen

Hauptstraße 31

89188 Merklingen

Gemeinde Ursensollen

Rathausstraße 1

92289 Ursensollen

www.ursensollen.de

264

Anhang A

265

Kommunale Abwasserreinigung (Fortsetzung)

KA Hailfingen

KA Dormagen

KA Piene

Abwasserzweckverband

Bondorf-Hailfingen

Rathaus

Marktplatz 18

72108 Rottenburg am Neckar

Stadt Dormagen

Stadtentwässerung

Tiefbauamt

Mathias-Giesen-Straße 11

41540 Dormagen

Stadtwerke Gummersbach

Rathausplatz 1

51643 Gummersbach

Herr Bock

KA Golfplatz St. Wendel

Bundeswehr

Stadt St. Wendel

Rathaus IV, Abwasserwerk

Marienstraße 1

66606 St. Wendel

Herr Schmidt

Bundesamt für Wehrtechnik

und Beschaffung

Ferdinand-Sauerbruch-Straße 1

56073 Koblenz

www.bwb.org


Lebensmittel Kartoffelstärkeproduktion

Emsland Stärke GmbH

Emslandstr. 58

49824 Emlichheim

Herr Dr. M. Lotz

www.emsland-staerke.de

„Deutsche See“ GmbH & Co. KG

BEECK Feinkost – Hamburg

Albert-Schweitzer-Ring 35

22045 Hamburg

Herr L. Diederichs

www.beeck-feinkost.de

Mälzerei Heinrich Durst Malz-

fabriken GmbH & Co. KG,

Betrieb Gernsheim

Mainzer Staße. 15 – 16

64579 Gernsheim

Herr M. Filip

www.durst-malz.de

Industriezweig UnternehmenIndustriezweig Unternehmen

Druckindustrie

Papierindustrie

Faserindustrie

Grafische Handelsvertretung

Peter Leis

Mühlweg 32

35606 Solms

Herr P. Leis

Papierfabrik Palm

Werk Eltmann

Industriestraße 23

97483 Eltmann

Herr R. Schirm

www.wellenwunder.de/

palm-gruppe/main.htm

Vulkanfiber Ernst Krüger

GmbH & Co. KG

Postfach 1262

47592 Geldern

Nordwall 39

47608 Geldern

Herr Dr. M. Joseph

www.hornex.de

AnhangA

266

Industrielle Abwasserreinigung (Fortsetzung)

Textilindustrie

Kunststoffindustrie

Wäscherei

Gerhard van Clewe

GmbH & Co. KG

Loikumer Straße 10

46499 Hamminkeln-Dingden

Herr A. van Clewe

www.van-clewe.de/vanclewe.html

Drews Meerane GmbH

Äußere Crimmitschauer Straße 80

08393 Meerane

Herr Ellmer

www.drews-meerane.de

Pongs Textil GmbH

Boschstraße 2

48703 Stadtlohn

H. Wening

www.pongs.de

HT Troplast AG

TROSIFOL

Mülheimer Straße 26

53840 Troisdorf

Herr U. Offermann

www.ht-troplast.de

Rentex Fortex B. V.

Locatie Massop

Grisenstraat 5

NL-6465 CE Kerkrade

Herr P. Massop

www.fortex.nl

ALSCO Berufskleidungs-Service

GmbH

Niederlassung Kaiserslautern

Otto-Hahn-Straße 1

67661 Kaiserslautern

Herr Winter

www.alsco.de


Wäscherei (Fortsetzung)

Metallverarbeitende Industrie

Lackaufbereitung

Textilservice MEWA GmbH

Hermann-Gebauer-Straße 1

15831 Groß Kienitz

Herr Lehmann

www.mewa.de

Rasselstein GmbH

Koblenzer Straße 141

56626 Andernach

Frau Dr. S. Arnold

www.rasselstein-hoesch.de/

deutsch/index.htm

Faurecia Autositze

GmbH & Co. KG

Werk Stadthagen

Industriestraße 3

31655 Stadthagen Ort

Herr K. Kasten

www.faurecia.com

Wieland Werke AG

Werk Langenberg

Ziegeleiweg 20

42555 Velbert

Herr H.-U. Koböcken

www.wieland.de

Galvanik Rudolf Jatzke

Edisonstraße 7

33689 Bielefeld

Herr K. Wickbold

DaimlerChrysler AG

Werk Düsseldorf

Ratherstraße 51

40467 Düsseldorf

Herr T. Bergmann

www.daimlerchrysler.com

Anhang A

267

Industrielle Abwasserreinigung (Fortsetzung)


Lackaufbereitung (Fortsetzung)

Pharmazeutische Industrie

Kraftwerke

Deponiesickerwasser

Bilgenentölung

Ford-Werke GmbH

Henry-Ford-Straße 1

50725 Köln

Herr S. Baumeister

www.ford.de

Schering AG

Ernst-Schering-Str. 14

59192 Bergkamen

Herr Dr. Neuhaus

DREWAG

Gas- und Dampfturbinen

Heizkraftwerk Dresden

Rosenstraße 32

01065 Dresden

www.drewag.de

Abfallwirtschaft Kreis und Stadt

Aachen (AWA) GmbH

Deponie Alsdorf-Warden

Postfach 1459

52243 Eschweiler

Herr R. Koch

www.awa-gmbh.de

Bilgenentölungsgesellschaft mbH

August-Hirsch-Straße 3

47119 Duisburg

Herr R. Deutsch

www.bilgenentoelung.de

Schwimmbäder

Fischaufzucht

Aquana Freizeitbad

GmbH & Co. KG

Willy-Brandt-Ring 100

52146 Würselen

Herr M. Dovermann

www.aquana.de

Hertener Stadtwerke GmbH

Schwimmbad COPA CA BACKUM

Herner Straße 21

45699 Herten

Herr H. Kuhlmann

www.freizeitbad.de/deutschland/

copacabackum.html

Freizeitbad Bergische Sonne

GmbH & Co.

Lichtscheider Straße 90

42285 Wuppertal

Herr G. Geier

www.bergische-sonne.de

Umweltbundesamt

Fachgebiet III 3.5

Postfach 33 00 22

14191 Berlin

Herr Dr. Pluta

www.umweltbundesamt.de

AnhangA

A.1.2

Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller,

Beratende Ingenieure

Die Zahl der auf dem Gebiet der Membrantechnik tätigen

Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller bzw.

der Beratenden Ingenieure ist groß und selbst für Deutsch-

land, auch bedingt durch z. T. hohe Fluktuationen kaum

vollständig zu erfassen.

Im Folgenden sind daher nur Adressen der Firmen und

Büros zusammengestellt, die in den vorangegangenen

Kapiteln ausdrücklich erwähnt wurden und einen größe-

ren Informationsbeitrag, z. B. für die Praxisbeispiele, leis-

teten. Diese Auswahl erhebt daher keinen Anspruch auf

Vollständigkeit. Weitere Informationsquellen und wichtige

Institutionen im Zusammenhang mit dem Thema Mem-

brantechnik sind im Anschluss zusammengestellt.

268

A3-Abfall-Abwasser-

Anlagentechnik GmbH

Aggerwasser GmbH

ACO Passavant GmbH

Altenburger Elektronic GmbH

amafilter Deutschland GmbH

ATEC Automatisierungstechnik

GmbH

atech innovations GmbH

Magdeburger Straße 16 b

45881 Gelsenkirchen

Herr U. Brüss

www.3a-gmbh.de

AV Aggerwasser GmbH

Sonnenstraße 40

51645 Gummersbach

www.aggerwasser.de

Ulsterstraße 3

D-36269 Phillipsthal

www.aco-passavant.de

Schlossweg 2 – 5

77960 Seelbach

Herr Dr. S. Siegfried

www.altenburger.de/index.html

Am Pferdemarkt 11

30853 Langenhagen

Herr Dr. G. Baumgarten

www.amafilter.com

Emmi-Noether-Straße 6

89231 Neu-Ulm

Herr G. Enderle

www.atec-nu.de

Am Wiesenbusch 26

45966 Gladbeck

Herr P. Bolduan

www.atech.daw.com

ATEMIS GmbH

Atotech Deutschland GmbH

Berghof Filtrations- und

Anlagentechnik GmbH & Co. KG

BKT Burggräf GmbH

BUSSE GmbH

CSM Filtrationssysteme

GmbH & Co. KG

degebran GmbH Anlagenbau

Dennewartstraße 25 – 27

52068 Aachen

www.atemis.net

Industriestraße 69

90537 Feucht

Postfach 12 40

90532 Feucht

Herr Dr. R. Schmidt

www.atotech.com

Harretstraße 1

72800 Eningen

Herr H.-U. Roth

www.berghof.com

Zum alten Zollhaus 20 – 22

42281 Wuppertal

Herr H. Burggräf

Zaucheweg 6

047316 Leipzig

Herr R.-P. Busse, Herr C. Belz

www.busse-gmbh.de

Gewerbestr. 32

75015 Bretten-Gölshausen

Frau R. Verschaeve

www.guthgroup.de

Resser Straße 65

44653 Herne

Herr K. Paulus, Herr H.- J. Krein

www.degebran.de

Anhang A

269

DHV Water BV

Dr. Dahlem –

Beratende Ingenieure

Earth-Tech GmbH

Eisenmann Lacktechnik KG

EnviCare

ENVIRO-CHEMIE

Abwassertechnik GmbH

Erftverband

Fraunhofer IGB

Henkel-Ecolab GmbH & Co. OHG

Hese Umwelt GmbH/A3 GmbH

Postbus 484

3800 AL Amersfort

Herr H.F. an der Roest

www.dhv.nl

Bonsiepen 7

45136 Essen

www.drdahlem.de

Forumstraße 24

41468 Neuss

www.axeljohnson.de

Heinrich-Hertz-Straße 8

74351 Besigheim-Ottmarsheim

Herr E. Neubauer

www.eisenmann.de

Wittekeweg 9

A - 8010 Graz

www.envicare.at

In den Leppsteinswiesen 9

64380 Roßdorf

Frau J. Quaiser

www.enviro-chemie.de

Paffendorfer Weg 42

50126 Bergheim

www.erftverband.de

Nobelstraße 12

70569 Stuttgart

Henkel-Ecolab Deutschland

Reisholzer Werftstraße 38 – 42

40554 Düsseldorf

Herr R. Krack

www.ecolab.de

Magdeburger Straße 16a

45881 Gelsenkirchen

www.hese-umwelt.de

Hans Huber AG

Hydro-Ingenieure GmbH

HST-Systemtechnik

iat-Ingenieurberatung für

Abwassertechnik GmbH

inge AG

Ingenieurbüro Dr. Resch

imb + frings water systems gmbh

I-T-G GmbH, Ingenieurgemein-

schaft für Umwelttechnologie

ItN Nanovation

Keppel Seghers Belgium NV

Maschinen- und Anlagenbau

Maria-Hilf-Straße 3 – 5

92334 Berching

Herr Dr. O. Christ

www.huber.de

Stockkampstraße 10

40477 Düsseldorf

www.hydro-ingenieure.de

Sophienweg 3

59872 Meschede

www.systemtechnik.net

Taubenheimstraße 69

70372 Stuttgart

www.iat-stuttgart.de

Flurstraße 17

86926 Greifenberg

Herr M. Hank

www.inge-ag.de

Lehenwiesenweg 31

91781 Weißenburg

Herr Dr. H. Resch

Horbeller Straße 15

50858 Köln

Herr Dr. J. Lindemann

www.imbfrings.de

Buchenstraße 24

72810 Gomaringen

Frau J. Knödler

www.itg-gmbh.de

Untertürkheimer Straße 25

66117 Saarbrücken

www.itn-nanovation.de

Hoofd 1

B-2830 Willebroek

www.segherskeppel.com

AnhangA

270

Klapp-Müller GmbH,

Ingenieurbüro für Umwelt-

und Bautechnik

KOCH-GLITSCH GmbH

KOCH Membrane Systems

GmbH

Krüger-Wabag

(siehe Veolia Water)

Kubota

L. V. H. T.

Mall GmbH

Martin Systems AG

Rehwinkel 15

51580 Reichshof

Herr Dr. S. Schilling

www.klapp-mueller.de

Membrane Systems Divisions

Neusser Straße 33

40219 Düsseldorf

Herr J. Hadler

www.kochmembrane.com

Krantzstraße 7, Eingang D

52070 Aachen

Herr Dr. S. Schäfer

www.puron.de

Baumeisterallee 13 – 15

04442 Zwenkau

Standort Ratingen

Lise-Meitner-Straße 4a

40878 Ratingen

www.wabag.com

In Lizenz über Aggerwasser GmbH

Lehr- und Versuchsgesellschaft für

innovative Hygiene-Technik mbH

Am Zehnthof 191a

45307 Essen

Herr Dr. D. Pacik

www.lvht.de

Hüfingerstraße 39– 45

78166 Donaueschingen

Herr S. Klemens

www.mallbeton.de

Ackerstaße 40

96515 Sonnenberg

Herr M. Grigo

www.Martin-Systems.de

Memcor Australia

(siehe Siemens AG)

Memtec

Membrain

MDS Prozesstechnik GmbH

MFT

MICRODYN-NADIR

Filtration GmbH

NERAtec AG

NORIT N. V.

OSMONICS

40 Blackman Crescent

South Windsor, NSW 2576

Mergenthalerallee 45 – 47

65760 Eschborn

Herr Baur

Kontakt über ZENON GmbH

Bahnhofstraße 315

47447 Moers

Herr Dr. D. Böttger

www.mds-prozesstechnik.com

Membran-Filtrations-Technik GmbH

Eupener Straße 150

50933 Köln

Herr H.-U. Hübbel

www.mft-koeln.de

Kalle Albert Industriepark

Rheingaustraße 190

65174 Wiesbaden

Herr W. Ruppricht

www.microdyn-nadir.de

Max-Planck-Straße 7b

52249 Eschweiler

Herr U. Kolbe

www.neratec.de

P. O. Box 89

7620 AB Borne

The Netherlands

www.norit.com

230, rue Robert Schumann

Z. A. des Uselles

B. P. 85

77350 Le Mee sur Seine

Frankreich

www.osmonics.com

Anhang A

271

Pall GmbH

PURON AG

Dr.-Ing. Peters Consulting

(CMU)

ROCHEM UF-Systeme GmbH

Rhodia

RWW Wassertechnologie GmbH

Schwander GmbH

Siemens AG Water Technologies

TAMI Deutschland GmbH

Pall GmbH

Philipp-Reis-Straße 6,

63303 Dreieich

Herr Dr. H. Eipper, Herr C. Maurer

www.pall.com

siehe KOCH Membrane Systems

GmbH

www.puron.de

Dr.-Ing. Peters Consulting für

Membrantechnologie und

Umwelttechnik

Broichstraße 91

41462 Neuss

Herr Dr. T. A. Peters

Stadthausbrücke 1 – 3

Fleethof

20355 Hamburg

www.rochemuf.com

Stadelstraße 10

60595 Frankfurt

Herr Hoffmann, Herr Linz

www.rhodia.com

Heinrich-Haanenstraße 6

41334 Nettetal-Lobberich

Herr B. Lang

www.rww-wt.de

Theodor-Heuss-Straße 38

61118 Bad Vilbel

Herr Dr. T. Jäger

www.schwander.de

Nonnendammallee 101

13569 Berlin

www.siemens.com/water

Heinrich-Hertz-Strasse 2/4

07629 Hermsdorf

Herr B. Ruschel

www.tami-industries.com

Toray Deutschland GmbH

Tuttahs & Meyer

Ingenieurgesellschaft

US-FilterMEMCOR Products

(siehe Siemens AG)

VA TECH WABAG AG

Veolia Water Deutschland GmbH

WEHRLE-WERK AG

Weise Water Systems

GmbH & Co. KG

Wientjens b. v.

X-Flow B. V.

(siehe auch NORIT N. V.)

ZENON GmbH

Hugenottenallee 175

63263 Neu-Isenburg

Bismarckstrasse 2 – 8

52066 Aachen

www.tuttahs-meyer.de

441 Main Streel

Sturbridge, MA 01566

www.usfilter.com

VA TECH WABAG

Siemensstraße 89

1210 Vienna

www.vatechwabag.com

Unter den Linden 21

10117 Berlin

www.veoliawater.de

Bismarckstraße 1 – 11

79312 Emmendingen

Herr G. Streif

www.wehrle-werk.de

Steinbruchstraße 6b

35428 Langgöns

www.weise-water-systems.com

Im Sprokkelveld 9

NL-6596 DH Milsbeek

www.wientjens.com

Bedrijvenpark Twente 289

NL-7602 KK Almelo

Herr B. Brocades Zaalberg

www.xflow.nl

Nikolaus-Otto-Straße 4

40721 Hilden

Herr H. Möslang

www.zenonenv.com

MUNLV

LUA NRW

EFA NRW

BEW

DGMT

Forschungsinstitut für Wasser-

und Abfallwirtschaft an der

RWTH Aachen (FiW) e. V.

Ministerium für Umwelt und

Naturschutz, Landwirtschaft und

Verbraucherschutz des Landes

Nordrhein-Westfalen

40190 Düsseldorf

www.munlv.nrw.de

Landesumweltamt

Nordrhein-Westfalen

Wallneyer Staße. 6

45133 Essen

www.lua.nrw.de

Effizienz-Agentur NRW

Mühlheimer Straße 100

47057 Duisburg

www.efanrw.de

Bildungszentrum für die

Entsorgungs- und Wasser-

wirtschaft GmbH

Bildungsstätte Essen

Wimberstraße 1

45239 Essen

www.bew.de

Deutsche Gesellschaft für

Membrantechnik e. V.

Eupener Straße 150

50933 Köln

www.dgmt.org

Mies-van-der-Rohe-Straße 17

52056 Aachen

Frau M. Lange

Herr Dr. F.-W. Bolle

Herr J. Schunicht

www.fiw.rwth-aachen.de

Institut für Siedlungswasserwirt-

schaft der RWTH Aachen (ISA)

Gutachter

Mies-van-der-Rohe-Str. 1

52056 Aachen

Herr S. Baumgarten

Herr Dr. S. Köster

Univ. Prof. Dr.-Ing. J. Pinnekamp

www.isa.rwth-aachen.de

Prof. Dr.- Ing. P. Cornel

(Leitung der Arbeitsgruppe

IG-5.5 „Membrantechnik“

der ATV-DVWK bzw. DWA)

Technische Universität Darmstadt

Institut WAR

Petersenstraße 13

64287 Darmstadt

www.iwar.bauing.tu-darmstadt.de

Herr Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen

(i. V. für Fachausschuss KA-7

„Membranbelebungsverfahren“

der ATV-DVWK bzw. DWA)

Universität Kassel

FG Siedlungswasserwirtschaft

Kurt-Wolters-Straße 3

34125 Kassel

www.uni-kassel.de

Herr Dr. Firk

Wasserverband Eifel Rur

Eisenbahnstraße 5

52353 Düren

www.wver.de

Herr Dr. J. Oles,

Herr U. Voss

Oswald Schulze GmbH & Co. KG

Krusenkamp 22 – 24

45964 Gladbeck

www.oswald-schulze.de

AnhangA

272

A.1.3

Wissenschaftliche Begleitung bei der Erstellung dieser Publikation

Anhang A

273

Mitglieder der AG

Membranhandbuch

Herr Dr. T. A. Peters

Dr.-Ing. Peters Consulting für

Membrantechnologie und

Umwelttechnik

Broichstraße 91

41462 Neuss

Herr Dr. V. Mertsch

Ministerium für Umwelt,

Naturschutz, Landwirtschaft und

Verbraucherschutz des Landes

Nordrhein-Westfalen (MUNLV)

40190 Düsseldorf

www.munlv.nrw.de

Frau K. Drensla

Erftverband

Abteilung Abwassertechnik

Forschung und Entwicklung

Paffendorfer Weg 42

50126 Bergheim

www.erftverband.de

Frau A. Kaste

Frau C. Wiedenhöft

Frau Dr. K. Dreher

Landesumweltamt

Nordrhein-Westfalen (LUA)

Wallneyer Straße 6

45133 Essen

www.lua.nrw.de

Herr RBD A. Schmidt

Bezirksregierung Köln

Zeughausstraße 2 – 10

50667 Köln

www.bezreg-koeln.nrw.de

Prof. Dr. rer. nat. W. Schmidt

Fachbereich Versorgungs-

und Entsorgungstechnik

Fachhochschule Gelsenkirchen

45877 Gelsenkirchen

http://www.fh-gelsenkirchen.de/

fb03/ent/enthf.html

Frau Dr. J. R. Tschesche

Frau I. Dierschke

Effizienz-Agentur NRW (EFA NRW)

Mühlheimer Straße 100

47057 Duisburg

www.efanrw.de

Herr T. Wozniak

Aggerverband

Sonnenstraße 40

51645 Gummersbach

www.aggerverband.de

Herr S. Tenkamp

Staatliches Umweltamt Krefeld

(StUA Krefeld)

St. Töniser Straße 60

47803 Krefeld

www.stua-kr.nrw.de

AnhangA

274

A.1.4

Weitere Institutionen und Personen, die zu den Inhalten beigetragen haben

BMU

DBU

DECHEMA e. V.

FIGAWA

PIA e. V.

Frau E. Brands

Prof. Dr. rer. nat. J. Marzinkowski

Prof. Dr.-Ing. habil. N. Räbiger

Tuttahs & Meyer

Universität Wuppertal

Bergische Universität,

Gesamthochschule Wuppertal

Fachbereich 14, Sicherheitstechnik

Gaußstraße 20

42097 Wuppertal

Prof. Dr. rer. nat. J. Marzinkowski

www.uni-wuppertal.de/FB14

Universität Bremen

Institut für Umweltverfahrens-

technik

Postfach 330440

28334 Bremen

www.fb4.uni-bremen.de

Tuttahs & Meyer Ingenieurgesell-

schaft mbH

Bismarckstraße 2 – 8

52066 Aachen

www.tuttahs-meyer.de

Fachgebiet Sicherheitstechnik/

Umweltschutz der Bergischen

Universität Wuppertal

Campus Freudenberg, Gebäude FF

Rainer-Gruenter-Straße 21

42097 Wuppertal

Frau D. Kunz

www.uws.uni-wuppertal.de

Bundesministerium für Umwelt,

Naturschutz und Reaktorsicherheit

Alexanderplatz 6

10178 Berlin

www.bmu.de

Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Postfach 1705

49007 Osnabrück

www.dbu.de

Gesellschaft für Chemische

Technik und Biotechnologie e. V.

Theodor-Heuss-Allee 25

60486 Frankfurt am Main

Herr Dr. L. Nick

www.dechema.de

FIGAWA Bundesvereinigung

der Firmen im Gas- und

Wasserfach e. V.

Marienburger Straße 15

50968 Köln

www.figawa.de

Prüf- und Entwicklungsinstitut

für Abwassertechnik an der

RWTH Aachen (PIA) e. V.

Mies-van-der-Rohe Straße 1

52074 Aachen

www.pia.rwth-aachen.de

Wasserverband Eifel-Rur

Eisenbahnstraße 5

52352 Düren

www.wver.de

Anhang A

275

A.1.5

Weitere Informationsquellen zum Thema Membrantechnik

• ATV-DVWK-Branchenführer Abwasser-Abfall 2001

Hrsg.: Gesellschaft zur Förderung der Abwassertechnik e. V.

Theodor-Heuss-Allee 17

53773 Hennef

www.gfa-verlag.de

• ENVITEC-Internationale Fachmesse

für Ver- und Entsorgung mit Fachkongress

www.envitec.de

• IFAT

Internationale Fachmesse für Wasser – Abwasser – Abfall – Recycling

www.ifat.de

Tagungen zum Thema Membrantechnik

• AMK – Aachener Membran Kolloquium (Institut für Verfahrenstechnik

(IVT) an der RWTH Aachen)

• ATSV – Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrens-

technik (Institut für Verfahrenstechnik (IVT) und Institut für Siedlungs-

wasserwirtschaft (ISA) an der RWTH Aachen)

• Bremer Colloquium „Produktionsintegrierte Wasser-/Abwassertechnik“

(IUV – Institut für Umweltverfahrenstechnik, Universität Bremen und

GVC – VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik, Düsseldorf)

Informationen im Internet

Das Internet-Portal www.pius-info.de ist ein Kooperationsprojekt der

Länder Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Schleswig-Holstein.

Das Angebot umfasst u. a. Informationen zu durchgeführten Projekten,

Literatur, Software und Fördermöglichkeiten und wird kontinuierlich

aktualisiert, erweitert und von weiteren Partnern inhaltlich unterstützt.

Im Januar 2002 erfolgte bereits die erste Auszeichnung durch die Verlei-

hung des Umwelt-Online-Awards in Silber, dem Gütesiegel für moderne

Umweltkommunikation.

Geschäftsstelle PIUS - Internet-Portal

c/o Die Effizienz-Agentur NRW


47057 Duisburg

Herr H. H. Sittel, Frau A. Schmitt

www.pius-info.de

AnhangA

A.2

Fördermöglichkeiten

Die Planung und Umsetzung von Maßnahmen, die einen

Beitrag zum Umweltschutz leisten, wie z. B. der Einsatz

einer Membrananlage zur Abwasserreinigung können auf

verschiedene Weise gefördert werden. Umfassende Förder-

programme der Länder, des Bundes und der EU fördern

die Beratung, unterstützen finanziell Innovationen und

Investitionen, z. B. in Form von Beteiligungen, Darlehen,

Zuschüssen. Um den Weg zum richtigen Förderprogramm

zu verkürzen und Entscheidungen zu erleichtern, sind

nachfolgend einige Förderprogramme zur Thematik

„Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“

aufgeführt. Die genannten Institutionen und Ansprech-

partner erteilen weitere Auskünfte und beraten – über-

wiegend kostenlos – bei der Auswahl eines geeigneten

Förderprogramms für den Einzelfall.

276

Förderprogramme des Bundes

KfW-Umweltprogramm

ERP – Umwelt- und Energiesparprogramm

DtA – Umweltprogramm

BMU – Programm zur Förderung von Demonstrationsvorhaben

Verschiedene Förderbereiche DBU

Ansprechpartner

Kreditanstalt für Wiederaufbau

Palmengartenstraße 5 – 9

60325 Frankfurt am Main

Informationszentrum:

Tel.: 0 18 01/33 55 77 (zum Ortstarif)

www.kfw.de

Deutsche Ausgleichsbank

Ludwig-Erhard-Platz 1 – 3

53179 Bonn

Info-Line:

Tel.: 01 8 01/24 24 00 (zum Ortstarif)

www.dta.de

DBU – Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Postfach 1705

49007 Osnabrück

An der Bornau 2

49090 Osnabrück

Tel.: 05 41/96 33-0

Fax: 05 41/96 33-190

A.2.1

Förderprogramme und Förderberatung des Bundes

Anhang A

Die Nutzung der Förderdatenbank kann immer nur ein

erster Schritt sein. Das vielfältige Beratungsangebot der

Kammern und Verbände, der freien Unternehmens- oder

Steuerberatung und der Banken hilft, alle konzeptionellen,

steuerlichen oder rechtlichen Fragen zu klären.

A.2.2

Förderprogramme der Bundesländer

Ansprechpartner für die Förderprogramme der Länder

sind jeweils die Umweltministerien bzw. Landesumwelt-

ämter, deren Adressen in Tabelle A-1 zusammengestellt

sind. Des Weiteren ist dort eine Auswahl bekannter För-

derprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung,

Prozesswasserkreislaufführung“ mit den zugehörigen An-

sprechpartnern genannt.

Besonders hinzuweisen ist im Bundesland Nordrhein-

Westfalen auf die Effizienz-Agentur NRW (EFA)

– eine Initiative des Ministeriums für Umwelt und Natur-

schutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW–

welche seit Ende 1998 erste Anlaufstelle für alle Fragen

rund um den Produktionsintegrierten Umweltschutz

– kurz PIUS – ist.

Die EFA berät und unterstützt kleine und mittelständische

Unternehmen bei der Einführung integrierter Umwelt-

schutzmaßnahmen, vermittelt Kontakte zu Know-how-

Trägern und zeigt neue Wege und Möglichkeiten für

zukunftsweisende wirtschaftliche Strukturen auf. Die

Erstanalyse der Produktion durch die Ingenieure der EFA

zeigt Potenziale auf; die nachfolgende gezielte Beratung

in Zusammenarbeit mit externen Fachleuten hilft den

Unternehmen, sie zu nutzen (PIUS®-Check). Dabei steht

im Vordergrund, durch eine Effizienzsteigerung der ein-

gesetzten Rohstoffe gleichermaßen die Produktionskosten

und die Umweltbelastung zu senken. Darüber hinaus

277

Förderberatung des BMWi

In der Auskunftsstelle erhalten Ratsuchende schnell und

unbürokratisch Informationen zu den Förderprogrammen

des Bundes, der Länder und der EU für Existenzgründer

und kleine und mittlere Unternehmen. Die Auskünfte

schließen Angaben zu Verfahrenswegen zur Erlangung

von Fördermitteln, Anlaufstellen und Konditionen der

Förderprogramme ein.

Nach Terminvereinbarung können Existenzgründer und

Investoren kostenlose Informationen über die Förder-

möglichkeiten auch im persönlichen Gespräch erhalten.

Förderdatenbank des Bundeswirtschaftsministeriums

Die Förderdatenbank des Bundeswirtschaftsministeriums

steht als zentrale Informationsquelle für Privatpersonen,

Existenzgründer, Unternehmen und Berater zur Verfügung.

Sie richtet sich gleichermaßen an Benutzer ohne Vor-

kenntnisse wie an die Kenner der Wirtschaftsförderung

und ermöglicht die Recherche nach Fördermitteln und

einem geeigneten Förderprogramm.

Die Förderdatenbank des Bundes gibt einen vollständigen

und aktuellen Überblick über die Förderprogramme des

Bundes, der Länder und der Europäischen Union. Das

Fördergeschehen wird unabhängig von der Förderebene

oder dem Fördergeber nach einheitlichen Kriterien und

in einer konsistenten Darstellung zusammengefasst.

Dabei werden auch die Zusammenhänge zwischen den

einzelnen Programmen aufgezeigt, die für eine effiziente

Nutzung der staatlichen Förderung von Bedeutung sind.

Die breit angelegte Vernetzung im Internet bietet darüber

hinaus die Möglichkeit, vertiefende Informationen der

unterschiedlichen Anbieter von Förderinformationen

bereitzustellen.

Förderberatung des BMWi

Tel.: 0 18 88/6 15-76 49, -76 55

Fax: 0 18 88/6 15-70 33


Förderdatenbank des Bundesministeriums

für Wirtschaft und Technologie

www.bmwi.de

1) PIUS® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Effizienz-Agentur NRW

AnhangA

informiert die EFA über aktuelle Fördermöglichkeiten

kleiner und mittlerer Unternehmen und hilft bei der

Suche nach dem geeigneten Förderprogramm zur Finan-

zierung geplanter PIUS-Vorhaben. Sitz der EFA ist das

Haus der Wirtschaftsförderung in Duisburg, vier Regio-

nalbüros in Aachen, Bielefeld, Münster und Siegen sor-

gen seit Anfang des Jahres für den direkten Kontakt in

den verschiedenen Wirtschaftsregionen NRWs.

Einen Überblick über verschiedene Förderungsmöglich-

keiten gibt außerdem die Broschüre „Förderprogramme

für den Produktionsintegrierten Umweltschutz“.

Neben vielen weiteren Informationen zum Produktions-

integrierten Umweltschutz bietet das Internet-Portal

www.pius-info.de Informationen über Fördermöglich-

keiten zu dieser Thematik. Das Internet-Portal ist ein

Kooperationsprojekt der Länder Nordrhein-Westfalen,

Rheinland-Pfalz und Schleswig-Holstein und wird konti-

nuierlich aktualisiert und erweitert.

278

EFA – Die Effizienz-Agentur NRW:

„Förderprogramme für den Produktionsintegrierten Umweltschutz“.

Zielgerichtet planen. Effizient umsetzen. Umfassend profitieren.

Stand 06/2000.

Baden-Württemberg

Bayern

Berlin

Landesanstalt für Umweltschutz (LfU)

Baden-Württemberg

Griesbachstraße 1

76185 Karlsruhe

Postfach 21 07 52

76157 Karlsruhe

Tel.: 07 21/9 83-0

Fax: 07 21/9 83-14 56

www.lfu.baden-wuerttemberg.de

Bayerisches Staatsministerium für Landesentwick-

lung und Umweltfragen

Rosenkavalierplatz 2

81925 München

Tel.: 0 89 / 92 14-00

Fax: 0 89 / 92 14-22 66

www.umweltministerium.bayern.de

Senatsverwaltung für Stadtentwicklung

Brückenstraße 6

10179 Berlin

Tel.: 0 30/90 25-0

Fax: 0 30/90 25-29 20

www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt

Umweltschutz- und Energiesparförderprogramm

Ansprechpartner:

L-Bank

Wirtschaftsförderung II

Friedrichstraße 24

70174 Stuttgart

Telefon-Hotline: 07 11/1 22-23 45

Faxabruf Konditionen: 07 11/1 22-26 74

www.l-bank.de

Zusatzprogramm der LfA-Umweltschutz

Ansprechpartner:

LfA Förderbank Bayern

Königinstraße 17

80539 München

Tel.: 01 8 01/21 24 24 (Ortstarif)

www.lfa.de

Das Umweltentlastungsprogramm – UEP

Ansprechpartner:

Beratungs- und Servicegesellschaft Umwelt mbH

(B & SU)

Hohenzollerndamm 44

10713 Berlin

Tel: 0 30/3 90 42-84

www.uep-berlin.de

Tab. A-1

Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme

zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“

Bundesland Ansprechpartner Förderprogramme

Anhang A

279

Brandenburg

Bremen

Hamburg

Hessen

Mecklenburg-Vorpommern

Ministerium für Landwirtschaft, Umweltschutz

und Raumordnung des Landes Brandenburg

Heinrich-Mann-Allee 103

14473 Potsdam

Tel.: 03 31/8 66-0

Fax: 03 31/8 66-70 68, -70 69, -70 71

www.brandenburg.de/land/mlur

Der Senator für Bau und Umwelt

Hanseatenhof 5

28195 Bremen

Tel.: 04 21/3 61-21 36

Fax: 04 21/3 61-60 13

www.umwelt.bremen.de

Freie und Hansestadt Hamburg

Behörde für Umwelt und Gesundheit

Fachamt für Energie und Immissionsschutz (I1)

Billstaße. 84

20539 Hamburg

Tel.: 040/4 28 45-0

www.hamburg.de/Behoerden/Umweltbehoerde

Hessisches Ministerium für Umwelt,

Landwirtschaft und Forsten

Bereich Umwelt und Energie

Mainzer Straße 80

65189 Wiesbaden

Tel.: 06 11/8 15-0

Fax: 06 11/8 15-19 41

www.mulf.hessen.de

Umweltministerium Mecklenburg-Vorpommern

Allgemeine Information und Koordinierung

der Förderprogramme

Schlossstraße 6 – 8

19053 Schwerin

Tel.: 03 85/5 88-0, -8 20

Fax: 03 85/5 88-87 17

www.um.mv-regierung.de

Förderprogramm für Umwelttechnologie

Ansprechpartner:

siehe links

Freie und Hansestadt Hamburg

Behörde für Umwelt und Gesundheit

Innovationsstiftung Hamburg

Alter Steinweg 4

20459 Hamburg

Tel.: 0 40/4 28 41-17 59

www.hamburg.de/Behoerden/Umweltbehoerde

Tab. A-1 (Fortsetzung)




AnhangA

280

Niedersachsen

Nordrhein-Westfalen

Rheinland-Pfalz

Niedersächsisches Umweltministerium

Postfach 4107

30041 Hannover

Tel.: 05 11/1 20-0

Fax: 05 11/1 20-33 99

www.mu.niedersachsen.de




Schwannstraße 3

40 476 Düsseldorf

Tel.: 02 11/45 66-0

Fax: 02 11/45 66-3 88

www.munlv.nrw.de

Landesumweltamt NRW

Wallneyer Straße 6

45133 Essen

Tel.: 02 01/79 95-0

Fax: 02 01/79 95-14 48

www.lua.nrw.de

Effizienz-Agentur NRW


47057 Duisburg

Tel.: 02 03/3 78 79-58

Fax: 02 03/3 78 79-44

www.efanrw.de

Ministerium für Umwelt und Forsten

Kaiser-Friedrich-Straße 1

55116 Mainz

Tel.: 0 61 31/16-0

Fax: 0 61 31/16 46 46

www.muf.rlp.de

Initiative ökologische und nachhaltige

Wasserwirtschaft in NRW

Förderbereich 1 Innovativer bzw. erprobter

produktionsintegrierter Umweltschutz

Ansprechpartner:

siehe links, außerdem

Investitions-Bank NRW

Zentralbereich der WestLB

Friedrichstraße 56

40217 Düsseldorf

Tel.: 02 11/8 26-09

Fax: 02 11/8 26-84 59

ISB-Mittelstandsdarlehen im Rahmen

des Umweltschutzes

Ansprechpartner:

Investitions- und Strukturbank Rheinland-Pfalz

(ISB) GmbH

Holzhofstraße 4

55116 Mainz

Tel.: 0 61 31/9 85-3 50

www.isb.rlp.de





Anhang A

281

Saarland

Sachsen

Sachsen-Anhalt

Schleswig-Holstein

Thüringen

Ministerium für Umwelt

Keplerstraße 18

66117 Saarbrücken

Tel.: 06 81/5 01-00

Fax: 06 81/5 01-45 21

www.umwelt.saarland.de

Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und

Landwirtschaft

Archivstraße 1

01097 Dresden

Tel.: 03 51/5 64-0

Fax: 03 51/5 64-22 09

www.smul.sachsen.de

Ministerium für Landwirtschaft

und Umwelt des Landes Sachsen-Anhalt

Olvenstedter Straße 4

39108 Magdeburg

Tel.: 03 91/5 67-01

Fax: 03 91/5 67-17 27

www.mrlu.sachsen-anhalt.de

Landesamt für Natur und Umwelt des Landes

Schleswig-Holstein (LANU)

Hamburger Chaussee 25

24220 Flintbek

Tel.: 0 43 47/7 04-0

Tel.: 0 43 47/7 04-12

www.umwelt.schleswig-holstein.de

Thüringer Ministerium für Landwirtschaft,

Naturschutz und Umwelt

Beethovenplatz 3

99096 Erfurt

Tel.: 03 61/37-9 00

Fax: 03 61/37-9 99 50

www.thueringen.de/de/tmlnu

Zusammenstellung aktueller Förderprogramme im

Bereich Energie und Umwelt

Ansprechpartner:

Investitionsbank Schleswig-Holstein

Fleethörn 29-31

24103 Kiel

Tel.: 0431 / 900 3651

www.lanu.landsh.de





AnhangA

A.2.3

Förderprogramme der EU für den Bereich

Umweltschutz bzw. den Bereich Wasserwirtschaft

Struktur- und Regionalförderung

Die Struktur- und Regionalförderung durch die Europäi-

sche Union wird durch die vier europäischen Struktur-

fonds getragen. Zu nennen sind: Europäische Fonds für

regionale Entwicklung (EFRE), Europäische Sozialfonds

(ESF), Europäische Ausrichtungs- und Garantiefonds für

die Landwirtschaft (EAGFL) und das Finanzinstrument

für die Ausrichtung der Fischerei (FIAF). Der EFRE stellt

im Hinblick auf umweltschützende Maßnahmen den

wichtigsten Strukturfonds der EU dar.

• Strukturfonds

Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

fördert Maßnahmen, mit denen die Unterschiede in der

wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung zwischen den

verschiedenen Regionen und Mitgliedstaaten der Union

ausgeglichen werden sollen. Die EFRE – Mittel werden für

bestimmte benachteiligte Gebiete bereitgestellt und haupt-

sächlich dazu verwendet, Verbesserungen der Infrastruktur,

der produktiven Investitionen, der lokalen Entwicklung,

der Humanresourcen und des Umweltschutzes zu finan-

zieren.

Bei der Förderung wird in Ziel-1- und Ziel-2-Regionen

unterschieden.

Ziel 1 fördert die Entwicklung und strukturelle Anpas-

sung der Regionen mit Entwicklungsrückstand. Darunter

fallen Regionen, deren Pro-Kopf-Bruttoinlandsprodukt

weniger als 75 % des Gemeinschaftsdurchschnitts beträgt.

Es sind fünf Aktionsschwerpunkte vorgesehen:

• Förderung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und

der Klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU)

• Entwicklung von Infrastruktur

• Umweltschutz

• Förderung des Arbeitskräftepotenzials

• Entwicklung des ländlichen Raums

Ziel 2 fördert die wirtschaftliche und soziale Umstellung

von Gebieten mit Strukturproblemen. Im Zeitraum 2000-

2006 wird zwischen vier Arten von Gebieten mit Struk-

turproblemen unterschieden:

• Industriegebiete

• Ländliche Gebiete

• Städtische Gebiete

• Von der Fischerei abhängige Gebiete

Die Förderung von Maßnahmen im Rahmen der Ziele 1

und 2 erfolgt in der Form der Kofinanzierung, wobei in

Deutschland bei Ziel 1 der maximale Anteil der EU 75 %

und bei Ziel 2 maximal 50 % beträgt

Förderprogramme zum Schutze der Umwelt

Die nachfolgend beschriebenen Förderprogramme sind

primär zum Schutze der Umwelt bzw. zur Weiterentwick-

lung der gemeinschaftlichen Umweltpolitik gedacht.

LIFE III Programm

Ziel des LIFE-Programms ist die Umsetzung und Weiter-

entwicklung der Umweltpolitik und des Umweltrechts

der Gemeinschaft.

LIFE bietet finanzielle Unterstützung für Maßnahmen zu-

gunsten der Umwelt in der Gemeinschaft und bestimm-

ten Drittländern (Länder, die an das Mittelmeer oder die

Ostesee angrenzen, Länder Mittel- und Osteuropas, die

Assoziierungsabkommen mit der Europäischen Gemein-

schaft abgeschlossen haben).

Durch LIFE werden folgende Bereiche gefördert:

• europäische Gemeinschaft und Mittel- und Osteuropäi-

sche Länder (MOEL): Naturschutz, Förderung einer

nachhaltigen Entwicklung der industriellen Tätigkeiten,

Einbeziehung von Umweltaspekten in Raumordnungs-

politik, Abfallwirtschaft, Luftverschmutzung und

Gewässserbewirtschaftung;

• andere Drittländer: technische Unterstützung bei der

Schaffung administrativer Strukturen, Erhaltung bzw.

Sanierung von Lebensräumen bedrohter Arten, Förde-

rung einer nachhaltigen Entwicklung.

282

Anhang A

Die Förderfähigkeit hängt vor allem davon ab, ob:

• die Maßnahmen in der Europäischen Gemeinschaft

von gemeinschaftlichem Interesse sowie innovativ

zuverlässig und durchführbar sind und

• die Maßnahmen außerhalb der Gemeinschaft technisch

und finanziell durchführbar sind und zu einer nachhal-

tigen Entwicklung und Zusammenarbeit führen.

Die Aktion wird in den betreffenden fünf Jahren (2000-

2004) auf drei wichtige Bereiche konzentriert:

• Naturschutz („LIFE-Natur“): Maßnahmen zum Schutz

der natürlichen Lebensräume sowie der wildlebenden

Tiere und Pflanzen von gemeinschaftlichem Interesse

(NATURA 2000).

• Umwelt („LIFE-Umwelt“): Beitrag zur Einbeziehung

von Umweltaspekten in den übrigen politischen Berei-

chen der Union sowie zur Umsetzung und Fortschrei-

bung der Umweltpolitik bei

• Drittstaaten („LIFE-Drittländer“): Technische Unterstüt-

zung bei der Schaffung von Verwaltungsstrukturen für

den Bereich Umwelt, Maßnahmen zum

• Schutz der Natur und Demonstrationsmaßnahmen zur

Förderung einer nachhaltigen Entwicklung in einigen

Drittländern im Mittelmeer- und Ostseeraum.

Bei Maßnahmen, die über das LIFE-Programm finanziert

werden, beträgt die Höhe der zuschussfähigen Kosten 50%.

Im Rahmen des LIFE-Umwelt-Programms stehen Mittel

zur Unterstützung von Demonstrationsvorhaben zur Ver-

fügung, die jedoch keine Forschung, Studien oder Inves-

titionen in die Infrastruktur darstellen dürfen. Die Vor-

schläge müssen innovative Pilotmaßnahmen oder Maß-

nahmen der technischen Unterstützung zum Gegenstand

haben, durch die eine messbare Verbesserung der Umwelt-

bedingungen erreicht wird und die an anderen Orten der

Europäischen Union wiederholbar sind.

In Deutschland werden im Jahr 2004 im Rahmen von

LIFE-Umwelt acht Projekte gefördert, davon eins im

Abwasserbereich zum Thema „Nährstoffentfernung mit

Membran-Bioreaktoren“. Dieses Vorhaben wird bis Dezem-

ber 2006 unter dem Namen ENREM laufen. Durchführende

Institution ist das Kompetenzzentrum Wasser Berlin GmbH.

Kontakt bei der EU:

Generaldirektion Umwelt

LIFE-Programme

Bruno Julien

Generaldirektion Umwelt D. 1

BU 2/01

Rue de la Loi 200

B-1049 Brüssel


Strukturpolitisches Instrument zur Vorbereitung auf

den Beitritt (ISPA) zur EU

Durch die Förderung des Programms sollen die Länder

(Estland, Lettland, Litauen, Polen, Tschechien, Slowakei,

Ungarn, Slowenien, Rumänien, Bulgarien) auf den Bei-

tritt vorbereitet werden. Es werden Investitionsvorhaben

in den Bereichen Verkehr und Umwelt gefördert.

Die Laufzeit ist von Anfang 2002 bis Ende 2006. Das Ge-

samtbudget beträgt 7 Mrd. s . Gefördert bis zu 75 % der

Gesamtkosten in Form von nicht-rückzahlbaren Beihilfen

werden öffentliche Verwaltungen und öffentliche Un-

ternehmen.

Weitere Informationen:

http://www.europa.eu.int/comm/regional_policy/

index_en.htm

Kontakt bei der EU:

Generaldirektion Regionalpolitik

Rue de la Loi

B-1049 Bruxelles


283

AnhangA

284

Zieldefinition

Ausbau/Ertüchtigung von Belebungsstufen

Neubau

Nachrüstung zur Einhaltung weitergehender Anforderungen

…

A.3

Kurzchecklisten zu Abbildung 2-1

1 Anlass und Zielsetzung

Technische Rahmenbedingungen

Ablaufanforderungen (Mindest-/weitergehende Anforderungen)

Leistungsfähigkeit einer vorhandenen Kläranlage

Entwässerungssystem

Zulaufcharakteristik

Umrüstung/Ergänzung Membranen in bestehende Becken möglich

…

Wirtschaftliche Rahmenbedingungen

Investitionen, insbesondere spezifische Membrankosten

Investitionszuschüsse

Betriebskosten (Membranersatzkosten, Reinigung, Energieverbrauch)

Abwasserabgabe

…

2 Analyse IST-Zustand

Einbeziehung vorhandener Becken

Becken- und Membranstufenneubau

Auswahl und Anordnung der Membranmodule

Notwendige Vorbehandlungsmaßnahmen

Gestaltung und Durchführung der Membranreinigung

3 Variantenbetrachtung

Bemessung

Schlammalter, Schlammbelastung, Überschussschlammproduktion

Feststoffgehalt im Belebungsbecken

Mindestdurchflusszeit, Misch- und Ausgleichsbecken

Aufteilung Denitrifikations-, Nitrifikations- und Variobereich

Sauerstoffverschleppung durch Rezirkulation

Notwendige Membranfläche für dauerhaft stabile Flussraten

Temperatureinfluss auf die Permeabilität

Zur Verfügung stehende Membranfläche bei Reinigungen

Modulbelüftung gemäß Herstelleranforderungen

Sauerstoffeintrag in Abhängigkeit des Feststoffgehaltes

Phosphorelimination

Schlammbehandlung: Entwässerung und Faulbarkeit

…

4 Planung, Bemessung und konstruktive Gestaltung

Konstruktive Gestaltung

Güte der Vorreinigung (Rechen, Leichtstoffabscheider)

Pufferbecken im Zulauf oder auf der Anlage

Zwei- oder mehrstraßige Ausführung

Hydraulische Entkopplung mehrerer Straßen

Kurze Membranaustausch- und Lieferzeiten

Einrichtungen für die Reinigung der Membranen

Stromversorgung und Einspeisung

…

4 Planung, Bemessung und konstruktive Gestaltung (Fortsetzung)

Betriebsstabilität

Schulung/Einweisung Personal

Sicherstellung der Filtrationsleistung

Kontrolle der Membranbeschaffenheit (Verzopfung etc.) und der Permeabilität

Regelmäßige Membranreinigung (Zwischen-, Intensivreinigungen)

Betriebskosten

Stromverbrauch von Becken- und Modulbelüftung

Membranstandzeit

Kosten Reinigungsmittel

Regelmäßige Membranreinigung (Zwischen-, Intensivreinigungen)

…

Arbeitssicherheit

Umgang mit Reinigungsmitteln

…

5 Betrieb und Kontrolle

Anhang A

285

AnhangA

286

Anforderungen einhalten

Kosten senken

Einsparung von Wasser

Einsparung von Chemikalien

Einsparung von Energie

Rückgewinnung von Wertstoffen

Reduzierung der Entsorgungskosten

Reduzierung der Transportkosten

Reduzierung der Abwassergebühren

…

A.4

Kurzchecklisten zu Abbildung 3-1

1 Anlass und Zielsetzung

Datenaufnahme

Produktionsverfahren

Eingehende und ausgehende Ressourcenströme

Erfassung der Stoffströme und Ort des Anfalls

Abwasserströme

Anfallmenge, chemische und physikalische Beschaffenheit

Enthaltene Wert- und Störstoffe des zu behandelnden Stroms

Prozesslimitierende Prozesse und andere Begrenzungen

Kosten für den IST-Zustand, d. h. ohne Rückgewinnung und Recycling unter monetärem und umwelttechnischem Aspekt

…

Verbesserungsvorschläge/-potenziale

Vermeidungsmöglichkeiten in der Produktion

Behandlung der Reststoffe

Rückgewinnung wertvoller Ressourcen aus dem Stoffstrom möglich?

Nutzung/Verbleib der rückgewonnenen Wertstoffe

…

2 Analyse IST-Zustand

Zieldefinition

Mögliche Separationsverfahren

Änderung Produktionsprozess erforderlich bzw. möglich?

Effektivität der Verfahren?

Erreichbarkeit der geforderten Ziele mit dem Prozess

Wirtschaftlichkeitsvergleich

Laborversuche, Pilotversuche

3 Verfahrensauswahl

Anhang A

287

Wirtschaftlichkeitsvergleich

Bestehender Prozess, keine Änderung

Wasserversorgungskosten

Energiekosten

Chemikalienkosten

Rohmaterialkosten

Entsorgungskosten flüssig

Entsorgungskosten fest

Laborkosten

…

Membranverfahren installiert

Investitionen für Neuanlage

Membranersatzkosten

Investitionen für Peripherie, Pumpen, Ausgleichsbecken …

Abgetrennter Wertstoff

Fördermöglichkeiten

…

3 Verfahrensauswahl (Fortsetzung)

Versuche auf verschiedenen Maßstabsebenen

Vorversuche

Laborversuche

Membranauswahl

Pilotversuche

Anlagenplanung

…

4 Planung und Pilotierung

Betreibermodell oder Eigenbetrieb

z. B. „BOO Build-Own-Operate“

…

Vertragsregelung

Vertragslaufzeit

Garantiezeit, Standzeit der Membranen

Preisregelung

…

5 Betrieb und Kontrolle

AnhangA

A.5

Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe IG-5.5

„Membrantechnik“: Aufbereitung von Industrie-

abwasser und Prozesswasser mit Membranverfahren

und Membranbelebungsverfahren

Der vorliegende Arbeitsbericht wurde von der ATV-DVWK-

Arbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“ im ATV-DVWK

Fachausschuss IG-5 Industrieabwasserreinigung erstellt.

Der Arbeitsbericht besteht aus mehreren Teilen.

Teil 1 befasst sich mit den Membranverfahren an sich,

d. h. dem Einsatz dieser Verfahrensstufe zur Abtrennung

von ungelösten, kolloidalen oder gelösten Stoffen.

In Teil 2 wird auf das Membranbelebungsverfahren ein-

gegangen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Verfah-

renseinheit, bestehend aus dem biologischen Abbau im Be-

lebungsbecken und der Abtrennung der Biomasse durch

Membranen. Es wird insbesondere auf die Anforderungen

und Besonderheiten der Membranbelebung im Unterschied

zum konventionellen Belebungsverfahren eingegangen.

Es ist geplant, in einem dritten Berichtsteil Praxisbeispiele,

Betriebserfahrungen und Bemessungshinweise zusammen-

zustellen.

Der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe gehören folgende

Mitglieder an:

Dr.-Ing. Goetz Baumgarten, Langenhagen

Dr.-Ing. Martin Brockmann, Hilden

Dipl.-Biol. Ulrich Brüß, Herten

Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel, Darmstadt (Sprecher)

Dr.-Ing. Oliver Debus, Hamburg

Dipl.-Ing. Michael Kiefer, Stuttgart

Dr.-Ing. Angelika Kraft, Essen

Prof. Dr. Peter M. Kunz, Mannheim

Dr.-Ing. Otto Neuhaus, Bergkamen

Dr.-Ing. Thomas Peters, Neuss

Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Rosenwinkel, Hannover

(stellvertr. Sprecher)

Prof. Dr.-Ing. em. Carl Franz Seyfried, Hannover (Obmann)

Dr.-Ing. Jianming Shang, Hamm

Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen, Gießen

Dr.-Ing. Frieder Wagner, Heuweiler

Unter Mitarbeit von:

Dipl.-Biol. Annette Achtabowski, Bergkamen

Dipl.-Ing. Stefan Krause, Darmstadt

Prof. Dr. Winfried Schmidt, Gelsenkirchen

Dipl.-Ing. Jens Wagner, Hannover

Teil I

Membranverfahren

A.5.1

Einleitung

Membranverfahren sind rein physikalisch arbeitende Ver-

fahren zur Stofftrennung, bei denen das zu behandelnde

Abwasser oder Prozesswasser in gereinigtes Wasser (Filtrat-

bzw. Permeat) und eine aufkonzentrierte Phase (Konzen-

trat) getrennt wird (Abb. A-1). Die Triebkraft für die

Trennoperationen ist die transmembrane Druckdifferenz.

Diese druckgetriebenen Verfahren unterscheiden sich in

der Höhe der Druckdifferenz. Membranverfahren mit

anderen Triebkräften, wie z. B. einem elektrischen Feld

oder einer Konzentrationsdifferenz, sollen hier aufgrund

der geringen praktischen Bedeutung für die Abwasserbe-

handlung nicht diskutiert werden. Im Gegensatz zu der

konventionellen Filtrationstechnik erlauben druckgetrie-

bene Membranverfahren eine Trennung bis in den mole-

kularen Bereich.

Für den Erfolg eines Membranverfahrens sind zwei Eigen-

schaften von zentraler Bedeutung:

• Die Selektivität der Membranen, d. h. ihre Fähigkeit,

zwischen den Komponenten einer Mischung zu unter-

scheiden (z. B. zwischen Öl und Wasser oder zwischen

Ionen und Wasser). Die Membran setzt dabei dem

Transport verschiedener Komponenten unterschiedliche

Widerstände entgegen.

• Die Leistungsfähigkeit der Membranen (oft Membran-

flux genannt), d. h. der zu erzielende Permeat- bzw.

Filtratfluss (üblicherweise in l/(m2�h) angegeben)

unter bestimmten Betriebsbedingungen.

288

Anhang A

Abbildung A-2 zeigt die Einordnung der Membranverfah-

ren als Funktion der Partikel- bzw. Molekülgröße und der

Druckdifferenz.

Mit Membranverfahren können Inhaltsstoffe wie z. B.

• Feststoffe,

• gelöste Stoffe,

• kolloidale Stoffe und

• Flüssigkeiten einer zweiten Phase

abgetrennt werden.

289

Abwasser(Feed)100 %

Membranverfahren gereinigtes Abwasser(Permeat/Filtrat)z. B. 90 %

konzentriertes Abwasserbzw. Wertstoff(Konzentrat)z. B. 10 %

Abb. A-1

Schematische Darstellung des Grundprinzips eines Membranverfahrens

1

0,1

0,0001

Partikel- bzw. Molekülgröße [µm]

Dru

ckd

iffe

ren

z [b

ar]

0,001 0,01 0,1 1 10 100

10

100

200

Umkehrosmose

Nanofiltration

Ultrafiltration

Mikrofiltration

Filtration

Kochsalze

Metallsalze

Viren Bakterien

Farbpigmente

Abb. A-2

Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren

AnhangA

Unabhängig vom Verfahren bzw. der Trennaufgabe können

mit Hilfe der Membrantechnik unterschiedliche Behand-

lungsziele verfolgt werden, die wirtschaftlich interessant

sind. Diese können sein:

1. Reinigung des Wassers, z. B. zur

• Einhaltung von Einleitgrenzwerten

• Wiederverwendung

2. Konzentrierung der Inhaltsstoffe, z. B. zur

• Wertstoffrückgewinnung

• Reduzierung der Entsorgungskosten

Zum Verständnis der Selektivität von Membranen wurden

Modelle entwickelt, die sich für einen groben Überblick

auf zwei Grenzfälle verdichten lassen. Man unterscheidet

die so genannten Lösungs-Diffusions-Membranen (Um-

kehrosmose, Nanofiltration) und die Porenmembranen

(Mikro- und Ultrafiltration).

• Die Lösungs-Diffusions-Membranen besitzen eine ho-

mogene, mit einem Gel vergleichbare Trennschicht.

Um die Membran passieren zu können, muss der Stoff

sich im Membranmaterial lösen. Die Selektivität beruht

demzufolge auf der unterschiedlichen Löslichkeit und

der unterschiedlichen Durchtrittsgeschwindigkeit der

zu trennenden Substanzen durch das Membranmaterial.

Der Stofftransport durch die Membran erfolgt nach den

Gesetzen der Diffusion (Ficksches Gesetz). Triebkraft für

die gelösten Stoffe bei allen diffusionskontrollierten

Membranprozessen ist die Differenz des chemischen

bzw. elektrochemischen Potenzials zu beiden Seiten der

Membran, während die Triebkraft für das Lösungsmittel,

d. h. das Wasser die Druckdifferenz ist. Dieses Modell

beschreibt die Trennwirkung von Umkehrosmosemem-

branen. Für die Beschreibung der Trenneigenschaften

von Nanofiltrationsmembranen sind zusätzlich elektro-

chemische Wechselwirkungen mit der in der Regel

negativ geladenen Membranoberfläche zu berücksich-

tigen.

• Die Porenmembranen besitzen eine poröse Struktur mit

Kanälen. Die Selektivität beruht auf einem Siebeffekt,

der durch die Porengrößenverteilung der Membranen

bestimmt wird. Der Stofftransport erfolgt rein konvektiv

nach den Gesetzen der laminaren Kapillarrohrströmung

(Hagen-Poisseuille-Gesetz) als Resultat der Druckdiffe-

renz zwischen beiden Seiten der Membran. Dieses

Modell beschreibt theoretisch die Trennwirkung von

Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen. In der Praxis

werden diese Prozesse jedoch in aller Regel von einer

Deckschicht kontrolliert. Diese Deckschicht („Sekun-

därmembran“) bildet sich aus den vor der Membran

aufkonzentrierten Inhaltsstoffen.

Bedingt durch die sich beim Betrieb rohwasserseitig vor

der Membran einstellende Aufkonzentrierung der von

der Membran zurückgehaltenen Wasserinhaltsstoffe, kön-

nen auf der Membranoberfläche und an den Komponen-

ten der Membranelemente bzw. des Membranmoduls

folgende Effekte auftreten, die sich negativ auf die Leis-

tungsfähigkeit einer Membrananlage auswirken:

Scaling

Ablagerung anorganischer Wasser-inhaltsstoffe nach

deren Ausfällung durch Übersättigung, Kristallbildung

Fouling

Deckschichtbildung durch organische Wasserinhaltsstoffe

Biofouling

Ausbildung eines Biofilms, der u. a. durch Mikroorganis-

men gebildet wird

Diese Effekte können durch entsprechende Maßnahmen

verhindert oder zumindest vermindert werden. Die Ver-

meidung der Ausfällung anorganischer Komponenten

wie CaSO4 oder CaCO3 gelingt beispielsweise durch Ver-

schiebung des pH-Wertes – und damit der Löslichkeits-

grenze – und/oder der Dosierung von Antiscalingmitteln

(Komplexbildner, z. B. Phosphonsäure, Polykarbonsäure).

Die Verhinderung bzw. Verminderung des Wachstums

eines Biofilms kann durch eine entsprechende Voraufbe-

reitung bzw. ein einsatzfallspezifisches Spül- und Reini-

gungs-Regime erzielt werden.

290

Anhang A

A.5.2

Bestimmung des Membranverfahrens

Bei der Auswahl eines Membranverfahrens sind zunächst

vier wesentliche Festlegungen zu treffen:

• Bestimmung der erforderlichen Trenngrenze einer

auszuwählenden Membran

• Bestimmung des Membranmaterials

• Festlegung des Modultyps

• Festlegung des Verfahrens

Die Kriterien für diese Auswahl werden im Folgenden

beschrieben.

A.5.2.1

Bestimmung der erforderlichen Trenngrenzen

Die Art der aus einem Abwasser oder Prozesswasser abzu-

trennenden Komponenten bzw. die erforderliche Selekti-

vität bestimmt die Art der einzusetzenden Membran. Ein-

zelne Beispiele in Tabelle A-2 verdeutlichen die Zuord-

nung der Abtrennung von Wasserinhaltsstoffen zu den

Membranarten. Bei den porösen Membranen ist dabei die

in der Praxis mehrheitlich verwendete Porengröße ange-

geben. Die in der Tabelle benutzten Einheiten und Trenn-

grenzen entsprechen den von den Herstellern üblicher-

weise verwendeten Begriffen. Die angegebene Einheit

(g/mol) für das Molekulargewicht entspricht der an ande-

ren Stellen verwendeten Einheit Dalton.

A.5.2.2

Bestimmung des Membranmaterials

Heute stützt sich nahezu die gesamte Membrantechnik im

Bereich der Wasser- und Abwasserbehandlung auf synthe-

tische Polymermembranen über die nachfolgend ein kurzer

Überblick gegeben wird. In jüngster Zeit haben sich dabei

trotz der hohen Investitionskosten auch keramische Mem-

branen im Bereich spezieller Anwendungsgebiete (hohe

Temperaturen, aggressive Medien, Lösemittel) etabliert.

Aus den allgemeinen Stofftransportgesetzen (Konvektion,

Diffusion) ist bekannt, dass der Permeatfluss [in l/(m2 �h)]

umgekehrt proportional zur Länge der Transportstrecke

ist. Aus diesem Grund hat man sich bei der Membran-

herstellung bemüht, Trennschichten geringer Dicke zur

Verfügung zu stellen. Dennoch muss die mechanische

Festigkeit der Membran gewährleistet sein.

Während bei der Mikrofiltration in der Regel symmetri-

sche Membranen eingesetzt werden, haben sich für die

291

Abtrennbare Trenngrenze Verfahren Betriebsdruck

Wasserinhaltsstoffe (Porengröße) [Membran-Typ] kPa (bar)

Tab. A-2

Membranverfahren und deren Einsatzbereiche

Partikel > 0,1 µm 0,1 – 1 µm Mikrofiltration (MF) 50 – 300 kPa

emulgierte Stoffe [Poren-Membranen] (0,5 – 3 bar)

Kolloide, Makromoleküle 2.000 – 200.000 g/mol Ultrafiltration (UF) 50 – 1.000 kPa

Molmasse > 2.000 g/mol (0,004 – 0,1 µm) [Poren-Membranen] (0,5 – 10 bar)

emulgierte Stoffe

Organische Moleküle > 200 g/mol Rückhaltung Nanofiltration (NF) 500 – 4.000 kPa

mehrwertige, anorganische Ionen für MgSO4 > 90 % [Lösungs-Diffusions-Membranen (5 – 40 bar)

(0,001 – 0,005 µm) mit eingebauten ionogenen

Gruppen]

organische Moleküle und alle Ionen < 200 g/mol Rückhaltung Umkehrosmose (UO) 500 – 7.000 kPa

für NaCl > 95 % Hochdruck-UO (HD-UO) (5 – 70 bar)

[Lösungs-Diffusions-Membranen] bis 12.000 kPa

(bis 120 bar)

AnhangA

Ultra- und Nanofiltration sowie für die Umkehrosmose

vor allem die asymmetrischen Membranen durchgesetzt.

Hier kann je nach Herstellungsverfahren zwischen Phasen-

inversions- und Kompositmembranen unterschieden

werden. Während bei einer Phaseninversionsmembran

die aktive Schicht und die Unterstruktur aus dem glei-

chen Material hergestellt sind, wird bei den Komposit-

membranen auf die Stützstruktur eine homogene, mög-

lichst dünne Polymerschicht aufgebracht, weshalb eine

getrennte Optimierung der Schichten möglich ist. Die

Abbildungen A-3 und A-4 zeigen den prinzipiellen Auf-

bau von Phaseninversions- und Kompositmembranen.

Die früher häufig eingesetzten Membranen aus Cellulo-

sederivaten sind heute weitgehend durch Membranen

aus vollsynthetischen Polymeren (Polysulfon, Polyether-

sulfon, Polyamid, Polypropylen, Polyacrylnitril, etc.)

ersetzt worden. Diese weisen insbesondere den Vorteil

der besseren Medienbeständigkeit auf. Tabelle A-3 ist eine

Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die

verschiedenen Membranverfahren.

292

Abb. A-3

Querschnitt durch eine Phaseninversionsmembran

am Beispiel einer UF-Hohlfasermembran

mikroporöses Trägermaterialbis zu 50 µm Dicke

poröses Polyesternetzbis zu 125 µm Dicke

aktive Schicht bis zu 2500 Å= 1/4000mm Dicke Barriereschicht

2500 Å

Abb. A-4

Kompositmembran,

Links: Prinzipieller Aufbau einer Kompositmembran, Rechts: Schnitt durch eine Kompositmembran

Anhang A

A.5.2.3

Bestimmung des Membranmoduls

Das Kernstück jeder Membrananlage bildet das Modul,

in dem die Membranfläche in einer technisch nutzbaren

Einheit angeordnet ist. Das ideale Modul gewährleistet

die folgenden Aspekte:

• gute und gleichmäßige Überströmung der Membranen

ohne Totwasserzonen,

• mechanische, chemische und thermische Stabilität,

• geringe Druckverluste,

• große Packungsdichte,

• kostengünstige Fertigung,

• gute Reinigungsmöglichkeit,

• gute Membranwechselmöglichkeit,

• geringe Verblockungsneigung.

Da kein Modul aufgrund dieser in sich widersprüchlichen

Anforderungen alle Aspekte optimal erfüllt, gibt es ver-

schiedene Modulbauarten, die teilweise gezielt für be-

stimmte Anwendungen entwickelt worden sind. Die ver-

schiedenen Module lassen sich, sieht man von konstruk-

tiven Einzelheiten ab, in zwei Gruppen aufteilen:

Module mit rohrförmigen Membranen

• Rohrmodul

• Kapillarmodul

• Hohlfasermodul

Module mit flachen Membranen

• Plattenmodul

• Wickelmodul

• Kissenmodul

• Rotationsmodul

293

Mikrofiltration Polypropylen (PP)

Polyvinylidenfluorid (PVDF)

Polysulfon (PSU)

�-Aluminiumoxid

Edelstahl, Titandioxid

Zirkonoxid

Ultrafiltration Polysulfon (PSU)

reg. Cellulose

Polyacrylnitril (PAN)

Polyethersulfon (PES)

Titanoxid, Zirkonoxid

Polyvinylidenfluorid (PVDF)

Nanofiltration Polyamid (PA)

(Zirkonoxid), PES,

Celluloseacetat (CA)

Umkehrosmose Polyamid (95 %)

Celluloseacetat (5 %)

Tab. A-3

Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die verschiedenen Membranverfahren

Verfahren Aktive Schicht

AnhangA

Die Größe und damit die Investitions- und Betriebskosten

einer Membrananlage sind eng mit der spezifischen Per-

meatleistung und der zu installierenden Membranfläche

verbunden. Diese gilt es so günstig und damit so kompakt

wie möglich anzuordnen, ohne jedoch die Betriebssicher-

heit zu gefährden.

294

Bauform (Beispiele) Packungsdichte [m2/m3] Spez. Kosten pro m2 Deckschichtkontrolle Einsatzgebiete

Tab. A-4

Eigenschaften und Anwendungsgebiete verschiedener Modulformen

Rotationsmodul 10 – 50 – – – + + + MF und UF

Rohrmodul 20 – 90 – – + + MF, UF, NF, RO

Platten- bzw. Kissenmodul 100 – 250 – + + MF, UF, NF, RO

Kapillarmodul 600 – 1.200 0 + MF, UF, NF

Wickelmodul 700 – 1.000 + – RO, NF, UF

Hohlfasermodul > 1.000 ++ – – RO, UF

– negativ 0 durchschnittlich + positiv

Abb. A-5

Stirnseitige Ansicht eines Rohrmoduls mit

5,5 mm-Rohrmembranen [Foto: X-FLOW]

Abb. A-6

Abbildung eines Kissenmoduls [Typ ROCHEM FM]

Dies bedeutet für abwassertechnische Anwendungen, dass

Art und Konzentration der einer Membrananlage zuge-

führten Feststoffe bzw. die während des Prozesses gebilde-

ten Feststoffe das zu wählende Modulsystem maßgeblich

mit beeinflussen. Die Tabelle A-4 gibt einen Überblick

über die Eigenschaften und Einsatzgebiete der verschie-

denen Modulformen.

Der Aufbau der verschiedenen Module ist in den Abbil-

dungen A-5 bis A-7 dargestellt.

Anhang A

A.5.2.4

Bestimmung der Betriebsweise von Membran-

anlagen

Die Art der Betriebsweise eines Membranverfahrens wird

– wie die Auswahl des Moduls – von der Belastung bzw.

der Konzentration der gelösten und/oder ungelösten

Inhaltsstoffe des jeweiligen Abwassers oder Prozesswassers

bestimmt. Sie beeinflusst über den spezifischen Energie-

bedarf die Wirtschaftlichkeit und damit die Realisierbar-

keit der einzelnen Anwendungen.

Membranverfahren werden in der Regel im „Crossflow“

betrieben, auch als Tangentialstrom- oder Querstrom-Fil-

tration bezeichnet. Durch tangentiale Anströmung der

retentat- bzw. konzentratseitigen Membranoberfläche

wird versucht, die Deckschichtbildung auf der Membran

zu begrenzen und damit den Permeatfluss auf einem

möglichst hohen Niveau konstant zu halten.

Im Gegensatz hierzu steht die „Dead-End“-Betriebsweise.

Wie bei der klassischen kuchenbildenden statischen Fil-

tration nimmt die Filtratleistung mit zunehmender Deck-

schichtdicke ab. Kombiniert mit einer effizienten Rück-

spültechnik wird diese Betriebsweise erfolgreich bei ent-

sprechenden Anwendungen der Mikrofiltration und

Ultrafiltration eingesetzt. Verfahren mit einer Kombina-

tion von Merkmalen aus beiden Verfahren werden Semi-

Crossflow-Verfahren genannt.

Die beiden Betriebsweisen Dead-End und Crossflow

unterscheiden sich wesentlich hinsichtlich des Energiebe-

darfs. Reine Crossflow-Verfahren benötigen einen Ener-

giebedarf in der Größenordnung zwischen 2 kWh/m3

und 10 kWh/m3 (für MF und UF) bzw. zwischen 0,5

und 5 kWh/m3 (für NF und RO), während reine Dead-

End-Verfahren mit einem Energieeinsatz zwischen 0,1

und 0,3 kWh/m3 auskommen.

295

Permeat-Sammelrohr

Membran

Abfließen des Permeatsnach Durchtritt durchdie Membran

RohrwasserseitigesDistanzgeflecht(Feed-Spacer)

RohrwasserseitigesDistanzgeflecht

Rohrwasser

wird aufgerollt

Permeat



Konzentrat

Membran

Verklebung der Membrantaschen

RohrwasserseitigesDrainagevlies

Abb. A-7

Prinzipieller Aufbau eines Spiral-Wickelmoduls

AnhangA

A.5.3

Einsatzbeispiele

Im Folgenden sind Einsatzgebiete, in denen sich druckge-

triebene Membranverfahren bewährt haben, aufgelistet.

Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

• Filtration von Beizsäuren (MF, UF)

• Aufbereitung von Abwasser aus CP-Anlage in der

Galvanotechnik (RO)

• Reinigung von Deponie-Sickerwasser (NF, RO)

• Standzeitverlängerung von Entfettungsbädern (MF, RO)

• Rückgewinnung von Wertstoffen aus Farbabwässern (UF)

• Reinigung von Flexofarbabwasser (MF)

• Reinigung von Funkenerodier-Abwasser (MF)

• Reinigung von Gleitschleif-Abwasser (MF)

• Aufbereitung von Grauwasser auf Schiffen (RO)

• Wasserrecycling von feststoffhaltigen Abwässern aus

der Herstellung von Halbleiterbauelementen

(CMP, Schleifen, Sägen) (UF)

• Wiederverwendung in der Halbleiterindustrie (RO)

• Ölabtrennung aus Kompressor-Kondensaten (MF)

• Aufkonzentrierung von Kühlschmieremulsionen (UF)

• Aufbereitung von Laugen (MF, UF, NF)

• Wiederverwendung in der Lebensmittelindustrie (RO)

• Aufbereitung von Spülwasser aus der Entfettung

in der Metallverarbeitung (RO)

• Reinigung von Kreislaufwasser in der NE-Metall-

Verarbeitung (UF)

• Abtrennung von biologisch schwer abbaubaren

organischen Komponenten (NF)

• Reinigung von Rauchgaswäsche-Abwasser (MF)

• Aufbereitung von Säure (NF)

• Aufbereitung von Schlammwasser (Filterrückspülwasser)

(UF)

• Aufbereitung von Schlammwasser im Schwimmbad-

Bereich (RO)

• Aufkonzentrierung vor thermischen Verfahren (RO)

• Voraufbereitung von Abwässern für die Weiterbehand-

lung in einer Umkehrosmose (MF, UF)

• Schließung von Wasserkreisläufen (UF, NF, RO)

• Rückgewinnung von Wertstoffen aus Wasserlacken (UF)

• Keimreduktion von Kläranlagen-Ablauf (MF, UF),

siehe Teil 2 des Arbeitsberichtes

• Schlammrückhaltung bei Membran-Bioreaktoren

(MF, UF), siehe Teil 2 des Arbeitsberichtes

A.5.4

Projektierung von Membrananlagen

A.5.4.1

Grundlagenermittlung

Als Grundlage für die Konzeptionierung und Planung

einer membrantechnischen Anlage sind für das aufzube-

reitende Abwasser bzw. Prozesswasser alle relevanten

Daten bezüglich Volumenstrom bzw. Chargenmenge,

chemisch/physikalischer Parameter sowie sonstiger pro-

zessspezifischer gelöster und ungelöster Wasserinhaltsstoffe

(siehe Kapitel A.5.6 „Fragebogen Prozessdatenerhebung“)

für einen möglichst langen Zeitraum zu erfassen und ent-

sprechend zu dokumentieren.

Neben der Abwassersituation beim aktuellen Betriebszu-

stand muss dabei auch der Wasserhaushalt des gesamten

Betriebes erfasst werden, um Grundlagen für die Spezifi-

kation der Zielvorstellung und die überschlägige Bewer-

tung der Auswirkungen eines neuen Verfahrenskonzeptes

auf den Betriebsablauf zu erhalten. Die Abschätzung des

Einsparpotenzials bzw. der erwarteten Ergebnisse sollte

dabei durch Teilstrombetrachtungen sowie die Überprü-

fung von Änderungen bei vorgeschalteten Prozessschritten

ergänzt werden.

A.5.4.2

Projektierung und Bemessung

Nachdem die Grundlagenermittlung ergeben hat, dass ein

bestimmtes Membranverfahren einsetzbar ist, hat sich das

nachfolgend beschriebene Vorgehen zur Projektierung

solcher Anlagen in der Praxis bewährt. Der erfolgreiche

Betrieb kann in der Regel nur durch die beschriebene

Vorgehensweise sichergestellt werden.

A.5.4.2.1

Vorversuche im Labormaßstab

Die Vorversuche dienen der ersten Orientierung und wer-

den in der Regel unter folgenden Gesichtspunkten durch-

geführt:

296

Anhang A

• Membran- und Modulauswahl mit Feststellung der

grundsätzlichen Eignung eines Mediums für die

Behandlung mit dem gewählten Membranverfahren

• Vorauswahl ggf. erforderlicher Vorbehandlungsmaß-

nahmen mit Abschätzung des Scaling-, Fouling- und

Biofoulingpotenzials und Vorversuchen zur Membran-

reinigung

• Näherungsweise Bestimmung der wichtigsten Prozess-

parameter wie z. B. Druck, Temperatur, Überströmungs-

geschwindigkeit und erzielbare Ausbeute

A.5.4.2.2

Pilotversuche vor Ort

Die auf der Basis der Ergebnisse der Laborversuche zu

entwerfenden Pilotversuche dienen der Ermittlung der

eigentlichen Auslegungsbasis, der Reinigungsstrategien

und sonstiger verfahrenstechnischer und anlagenspezifi-

scher Randbedingungen. Dabei ist die Pilotanlage so zu

konzipieren, dass die hydraulischen Randbedingungen

(Überströmbedingungen der Membran, Modulverschal-

tung) der Membranelemente bzw. der Module auf die der

geplanten Betriebsanlage übertragbar sind. Nur damit

wird das Up-Scaling problemlos möglich.

Die Pilotversuche sollten unter folgenden Gesichtspunkten

durchgeführt werden:

• Betrieb einer halbtechnischen Pilotanlage im Dauerbe-

trieb unter Praxisbedingungen vor Ort mit Aufnahme

aller bemessungsrelevanten Daten einschließlich der

Vorbehandlung

• Bestimmung der Permeatleistung als Funktion der

Prozessstrecke und der Zeit

• Sicherstellung der Reinigbarkeit der Membranen, Be-

stimmung der Reinigungsintervalle, Optimierung der

Reinigungsoperationen, Bestimmung des Chemikalien-

bedarfes

Die optimale chemische Reinigung der Membranen ist

wesentlich für die dauerhafte Funktion der Membranen.

Je nach Art der Verschmutzung sind unterschiedliche

Chemikalien anzuwenden. Auch wenn die Reinigungs-

strategie in jedem Einzelfall ausgearbeitet werden muss,

um optimale Ergebnisse zu erhalten, so kommen für die

verschiedenen Verschmutzungsarten doch prinzipiell fol-

gende Chemikalienarten zum Einsatz:

bei Membranverschmutzung durch Scaling:

Membranreinigung durch Säure, z. B. Zitronensäure,

Salzsäure, ggf. Komplexbildner

bei Membranverschmutzung durch Fouling:

Membranreinigung durch Oxidationsmittel, z. B. Wasser-

stoffperoxid, Peressigsäure, Natriumhypochlorit

bei Membranverschmutzung durch Biofouling:

Membranreinigung durch Oxidationsmittel oder durch

Lauge, z. B. Natronlauge

Zwischen den einzelnen Reinigungsstufen muss die Anlage

jeweils mit Wasser ausgespült werden, damit Wechselwir-

kungen zwischen den einzelnen Chemikalien vermieden

werden. Beispielhaft kann folgende Reinigungsstrategie

Anwendung finden:

1. Verdrängung des Prozesswassers aus der Anlage

2. Reinigug mit Zitronensäure/Salzsäure bei pH 3 zur Ab-

lösung anorganischer Beläge, Dauer ca. 1 – 4 Stunden

bei leicht erhöhter Temperatur

3. Zwischenspülung mit Wasser, d. h. Verdrängung der

vorigen Reinigungslösung

4. Behandlung mit NaOCl/NaOH bei pH 11 zur Oxidation

bakterieller Ablagerungen, Dauer ca. 5 – 8 Stunden bei

leicht erhöhter Temperatur

5. Schlussspülung mit Wasser zur vollständigen Verdrän-

gung aller Chemikalien aus dem System

6. Wiederanfahren der Anlage mit Prozessabwasser

Je nach Verschmutzungsgrad kann die Zeitdauer der ein-

zelnen Schritte variieren oder es kann notwendig sein,

einen dieser Schritte mehrfach durchzuführen.

297

AnhangA

A.5.4.2.3

Anlagenplanung

Auf der Basis der Ergebnisse der Pilotierung kann die

Anlagenplanung durchgeführt werden. Folgende Punkte

sind hierbei abzuarbeiten:

• Versuchsdatenauswertung mit der Bestimmung der am

Ende der erwarteten Membranlebensdauer noch vor-

handenen Permeabilität [definiert als l/(m2 �h �bar)]

an jeder Stelle im Membranprozess als wesentlichste

Bemessungsgröße

• Anlagenentwurf unter Beachtung der sich tatsächlich

ergebenden Betriebsbedingungen der eingesetzten

Membranen und Module

• Einbindung des Membranverfahrens in den Gesamt-

prozess

A.5.5

Bewertungskriterien zur Auswahl einer

Membrananlage

Nach der Durchführung der beschriebenen Vorgehens-

weise sollte vor der endgültigen Realisierung nochmals

eine Bilanzierung der durchgeführten Auswahlverfahren

erfolgen.

Die folgende Checkliste soll für den künftigen Anlagen-

betreiber als Checkliste für seine eigenen Arbeiten bzw.

für die Bewertung von Angeboten dienen.

A.5.5.1

Technische Bewertung eines Membranverfahrens

hinsichtlich Einsatz und Vollständigkeit

A.5.5.1.1

Definition der Aufgabenstellung

• Sind die im Abwasser enthaltenen Inhaltsstoffe aus-

reichend spezifiziert und dokumentiert?

• Sind Schwankungen des Abwassers hinsichtlich

Qualität und Quantität definiert?

• Wurden bei der Angabe der Abwasserdaten auch

im Herstellungsprozess seltene, zyklisch auftretende

Bedingungen berücksichtigt?

A.5.5.1.2

Material- und Stoffströme beim Betrieb einer

Membrananlage

• Sind die genannten Mengenströme schlüssig, d. h. geht

die Gesamtbilanz auf? (Summe Zuläufe = Summe Ab-

läufe! Abb. A-8)

298

MembrananlageAbwasserzulauf

gereinigtes Wasser (Permeat bzw. Filtrat)

Konzentrat

Chemikalien für Betrieb

Chemikalien für chemische Reinigungen

Betriebsmittel (Elektrische Energie, Druckluft)

Sonstige Verbrauchsstoffe (Ersatzfilter etc.)

Abwasser aus chemischen Reinigungen

Abwasser aus Spülungen

Abb. A-8

Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage

Anhang A

• Sind die notwendigen Messgeräte für die Bilanzierung

des Anlagenbetriebes enthalten?

• Können Zeiträume für chemische Reinigungen durch

innerbetriebliche Maßnahmen oder Pufferbehälter

überbrückt werden?

• Ist die Anlagenauslegung so gewählt, dass der durch

diese Reinigungen entstehende Mehranfall an Abwasser

in vernünftigen Zeiträumen abgearbeitet werden kann?

• Ist die Entsorgung von Abfällen (getauschte Membranen,

Vorfilter) problematisch?

• Wenn ja, wie hoch sind die Kosten hierfür?

A.5.5.1.3

Verwendung bzw. Entsorgung der entstehenden

Produkte

• Entspricht das erzeugte gereinigte Wasser (Permeat bzw.

Filtrat) den Anforderungen an die Einleitung in die

Kanalisation oder den Vorfluter bzw. den Qualitätsan-

forderungen zur Wiederverwendung?

• Erfolgt diesbezüglich eine kontinuierliche Kontrolle der

Qualität?

• Kann das erzeugte Konzentrat innerbetrieblich verwen-

det werden bzw. entspricht dieses Konzentrat den

Anforderungen an die Einleitung in die Kanalisation

oder den Vorfluter?

• Hat das Recycling von Abwasser Auswirkungen auf die

bestehende Abwassereinleitung bzw. auf die bestehende

Abwasseranlage (Konzentrationserhöhung)?

• Wie werden entstehende Abwässer aus der chemischen

Reinigung der Anlage entsorgt?

A.5.5.1.4

Vorreinigung

• Benötigen die eingesetzten Membranmodule bzw.

Membranen eine Vorreinigung?

• Ist diese Vorreinigung technisch und preislich berück-

sichtigt?

• Was passiert bei Ausfall der Vorreinigung (Notmaßnah-

men zur Absicherung der Membranen)?

• Sind Sicherheitsmaßnahmen (Messtechnik, Sicherheits-

filter) bei unzureichender Vorreinigung getroffen?

A.5.5.1.5

Technische Ausführung

• Wie hoch ist der Automatisierungsgrad der Anlage?

• Ist dieser für die betrieblichen Belange ausreichend?

• Ist die angebotene Anlage konzeptionell in der Lage,

auf die zu erwartenden Schwankungen im Abwasser

zu reagieren?

A.5.5.1.6

Redundanzen

• Welche Folgen hat ein Ausfall der Gesamtanlage über

einige Stunden/einige Tage für den Betrieb? (Entsorgungs-

kosten/Entsorgungssicherheit/Produktionsausfall/Folge-

kosten)

• Sind die in der Anlage berücksichtigten Redundanzen

im Hinblick auf die ggf. entstehenden Kosten bei Anla-

genausfall ausreichend?

A.5.5.1.7

Referenzen/Ähnliche Anwendungen

• Gibt es für den Anwendungsfall bereits realisierte Bei-

spiele?

• Hat das anbietende Unternehmen Referenzen für die

gewählte Membrantechnik, ggf. in ähnlichen Anwen-

dungen?

A.5.5.2

Betriebskosten

A.5.5.2.1

Betriebsmittel

• Wie hoch ist der Anschlusswert/der Verbrauch an elek-

trischer Energie?

• Wie hoch ist der Verbrauch/sind die Kosten für Druck-

luft?

• Wie hoch ist der Verbrauch von zusätzlich benötigtem

Wasser (z. B. für chemische Reinigungen, Rückspülun-

gen)?

• Reicht das zur Verfügung stehende Wasser für diese

Maßnahmen hinsichtlich Quantität und Qualität aus?

• Welche Chemikalien sind für den normalen Anlagen-

betrieb erforderlich?

299

AnhangA

• Sind diese Chemikalien im Betrieb vorhanden?

Wie werden sie bereitgestellt?

• Sind die Verbräuche dieser Chemikalien bekannt?

Jährliche Kosten?

• Wie hoch sind die jährlichen Analysenkosten?

A.5.5.2.2

Betriebshilfsmittel

• Standzeit/jährliche Kosten für eventuelle Vorfilter?

(Verschleißteilangebot vorhanden?)

A.5.5.2.3

Personalkosten

• Welcher tägliche/wöchentliche Personalaufwand ist für

den Betrieb der Anlage erforderlich?

A.5.5.2.4

Lebensdauer und Membranersatz

• Wie hoch ist die Standzeit der eingesetzten Membranen?

Erwartete Lebensdauer/garantierte Lebensdauer (garan-

tierter Wert mindestens zwei Drittel des Erwartungs-

werts)?

• Liegt ein langfristiges Angebot für Ersatzmembranen vor?

• Ist der Arbeitsaufwand für den Austausch der Membra-

nen enthalten?

A.5.5.3

Änderungen der Bedingungen bei Betrieb der

Anlage

Neben der Bewertung eines Membranverfahrens hinsicht-

lich Vollständigkeit, Kosten und Verfahrenssicherheit sind

beim Betrieb der Anlage verschiedene Randparameter ein-

zuhalten, die bei Nichtbeachtung teilweise zu Betriebspro-

blemen bzw. Schäden führen können. Bei ausgeführten An-

lagen wurden beispielsweise folgende Punkte beobachtet:

• Korrosion einzelner Anlagenteile durch Veränderung

der Reinigungschemikalien

• Änderung der Inhaltsstoffe von Reinigungschemikalien,

beispielsweise durch Veränderung der Bezugsquelle

• Veränderung der Abfolge von Reinigungsschritten

• Änderung der Temperatur während der Reinigung

• Hydraulische Veränderungen im Zulauf oder innerhalb

der Anlage, z. B. durch nachlassende Pumpenleistung

• Veränderung der Zulaufqualität, z. B. durch Verände-

rung der Fracht oder durch zusätzliche Inhaltsstoffe

(Einsatz von Prozesschemikalien anderer Lieferanten

oder Wechsel des Produktionsprozesses)

• Membranwechsel (Wechsel zu einem anderen Membran-

lieferanten)

• Unzureichende Wartung der Mess- bzw. Analysentech-

nik (z. B. pH-Elektroden)

Diese Auflistung von in der Vergangenheit beobachteten

Betriebsproblemen zeigt deutlich, dass der Wartung einer

Membrananlage wesentliche Bedeutung zukommt. Sicher-

lich lassen sich Änderungen der Zulaufqualität des zu rei-

nigenden Abwassers nicht vermeiden, da Änderungen im

Produktionsprozess immer möglich sind. Üblicherweise

werden geringfügige Änderungen keinen Einfluss auf die

Reinigungsanlage haben. Trotzdem ist dringend anzura-

ten, dass bei wesentlichen Änderungen ein enger Kontakt

zum Anlagenhersteller gehalten wird, da oftmals auch

wesentliche Veränderungen im zulaufenden Wasser durch

geringfügige Modifikationen der Membrananlage gut ver-

kraftet werden können. Voraussetzung hierfür ist aber

auch, dass der Anlagenbetreiber durch innerbetriebliche

Maßnahmen von diesen Änderungen rechtzeitig unter-

richtet wird.

Ein Literaturverzeichnis des Anhangs A.5 finden Sie auf

den Seiten 316 – 317.

A.5.5.4

Sonstige Punkte

A.5.5.4.1

Störungen

• Sind im Notfall Ersatzmembranen bzw. -module in der

erforderlichen Menge kurzfristig verfügbar?

• Ist diese Zeit für den Betrieb akzeptabel (ggf. Ausfall

der Anlage für diesen Zeitraum)?

300

Anhang A

A.5.5.4.2

Vorversuche

• Wurden für den Anwendungsfall Vorversuche durch-

geführt?

• Wenn ja, stimmen die Angaben des Angebotes mit den

Daten der Vorversuche überein?

A.5.6

Fragebogen Prozessdatenerhebung

A.5.6.1

Beschreibung der Trennaufgabe, die mit einem

Membranverfahren gelöst werden soll

• Um was für ein Abwasser handelt es sich? Herkunft?

Zusammensetzung? Physikalische und chemische Ana-

lysendaten (u. a. Temperatur, pH-Wert, elektrische Leit-

fähigkeit, Härte, Foulingneigung, Feststoffgehalt, Art

der Feststoffe)

• Welche Komponenten sollen aus dem Medium entfernt

werden?

• Welche Anforderungen werden an die Permeatqualität

gestellt?

• Sind im Medium membranschädigende Substanzen

enthalten? (Orientierung an Substanzliste im Anhang).

Wenn ja, welche?

• Handelt es sich um ein mikrobiologisch auffälliges

Medium?

A.5.6.2

Zur Bewertung bzw. zur Integration eines Mem-

branverfahrens in ein Gesamtbehandlungskonzept

• Gibt es sowohl für das Permeat bzw. Filtrat, als auch für

das Konzentrat eine Verwertung? (z. B. Wiedereinsatz

im Betrieb, Wertstoffrückgewinnung)

• Falls eine Konzentratbehandlung erforderlich ist, wel-

che Möglichkeiten gibt es? Wie sind ggf. Entsorgungs-

wege und -kosten zu bewerten?

• Wie hoch sind die durch den Einsatz eines Membran-

verfahrens ggf. erreichbaren Kosteneinsparungen?

(Chemikalien, Wasser- und Abwassergebühren etc.)

• Welche (zum Membranprozess) konkurrierenden Ver-

fahren sind zu beachten?

A.5.6.3

Fragen zur Anlagenauslegung

• Welche Verarbeitungsmenge ist zu erwarten? Wie fällt

diese an? Gibt es ggf. Misch- und Ausgleichsmöglich-

keiten? Zukünftige Entwicklung? (Ganglinien der

Mengen und Inhaltsstoffkonzentrationen, Angaben in

m3/h, m3/d und m3/a)

• Welche Permeatausbeute (= %, bezogen auf Verarbei-

tungsmenge) soll mindestens erreicht werden?

• Gibt es Möglichkeiten, die Prozesstemperatur zu be-

einflussen?

A.5.6.4

Anforderungen an Ausführung und Bau der

Membrananlage

• Welche Anforderungen werden an die einzusetzenden

Werkstoffe gestellt? Gibt es Werkstoffe, die nicht einge-

setzt werden können oder dürfen?

• Welche sonstigen Anforderungen werden an die Mem-

brananlage gestellt? (z. B. Ex-Schutz, Sanitärausführung,

Betrieb unter Lebensmittelbedingungen, CIP-Fähigkeit)

• Gibt es Vorgaben zum Automatisierungsgrad der Anla-

ge bzw. zur Art der Anlagensteuerung?

• Welcher Platz steht für eine mögliche Membrananlage

zur Verfügung?

Anhang

In Abhängigkeit von der Konzentration und der Betriebs-

weise können sich folgende Stoffe und Substanzen negativ

auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems auswirken

und sind deshalb auch genauer zu überprüfen: Oxidations-

mittel [z. B. Chlor, Peroxyd, Chrom (VI)], kationische

Tenside, Flockungsmittel, Entschäumer, Polymere, Silikone,

organische Lösemittel, Silikate, Calcium, Barium, Stron-

tium, Eisen/Mangan, Zinn, Säuren/Laugen (pH-Wert),

Gips, Kalk, abrasive Stoffe.

301

AnhangA

Teil II

Aerobe Membranbelebungsverfahren

A.5.7

Allgemeines

Der vorliegende Arbeitsbericht richtet sich an Betreiber,

Planer und Anlagenbauer, die sich mit der Industrieab-

wasserreinigung befassen. Er ist der zweite Teil des Arbeits-

berichtes „Aufbereitung von Industrieabwasser und Pro-

zesswasser mit Membranverfahren und Membranbele-

bungsverfahren“ und baut auf dem vom Fachausschuss 2.7

erarbeiteten Arbeitsbericht „Membranbelebungsverfahren“

für kommunale Anlagen auf, in dem die wesentlichen

Grundlagen und Definitionen dargestellt sind.

In Membranbelebungsanlagen wird die Nachklärung

durch eine Mikrofiltration bzw. Ultrafiltration ersetzt.

Hierdurch ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

• ein feststofffreier Ablauf

• die Unabhängigkeit der Biomassekonzentration vom

Sedimentierverhalten

In Membranbelebungsanlagen können daher im Ver-

gleich zu konventionellen Belebungsanlagen wesentlich

höhere Trockensubstanzgehalte erreicht werden. Um den

gleichen Faktor ist eine Beckenvolumeneinsparung reali-

sierbar, sofern nach den gleichen Bemessungsansätzen

vorgegangen wird.

In Abbildung A-9 ist schematisch eine Membranbelebungs-

anlage im Vergleich zu einer konventionellen Belebungs-

anlage dargestellt.

Der vorliegende Arbeitsbericht gliedert sich in die Be-

schreibung des konstruktiven Aufbaus von Membranbele-

bungsanlagen (Kapitel A.5.8) und die Anforderungen an

den Zulauf (Kapitel A.5.9). Im Kapitel A.5.10 werden

Bemessungshinweise gegeben und im Kapitel A.5.11 auf

einige Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen

im Vergleich zu konventionellen Belebungsverfahren ein-

gegangen. Das Kapitel A.5.12 enthält Hinweise zur Wirt-

schaftlichkeit von Membranbelebungsanlagen. Eine Liste

von Beispielanlagen im Bereich der Industrieabwasserrei-

nigung im europäischen Raum schließt den Bericht ab.

A.5.8

Konstruktiver Aufbau

Membranbelebungsanlagen bestehen aus dem Belebungs-

becken, in dem mittels belebtem Schlamm die biologi-

sche Behandlung des Abwassers durchgeführt wird, und

der Filtrationseinheit, in der mittels den in Modulen ein-

gebauten Membranen der belebte Schlamm zurückgehal-

ten und ein feststofffreier Ablauf ermöglicht wird.

A.5.8.1

Anordnung

Es sind eine Reihe verschiedener Membranen und Mem-

branmodule am Markt, die sich hinsichtlich der Modul-

konstruktion, der Trenngrenze (Mikro- oder Ultrafiltrations-

membran), des Membranaufbaus (Flach-, Rohr- und

Kapillarmembranen), der Filtrationsrichtung (von innen

nach außen oder umgekehrt), des Aufstellungsorts (tro-

cken aufgestellte und getauchte Systeme) und der Be-

triebsweise unterscheiden. Wegen der hohen Feststoffge-

halte belebter Schlämme wird die Filtrationseinheit der

Membranbelebungsanlagen in der Regel als Crossflow-

302

Ablauf

ÜSS

BBAblauf

ÜSS

Zulauf ZulaufBB NK

Membran

Abb. A-9

Schematischer Vergleich des konventionellen Belebungsverfahrens mit dem Membranbelebungsverfahren

Anhang A

Modus betrieben, d. h. das Schlamm-Wasser-Gemisch

wird tangential über die Membranoberfläche gefördert,

wobei ein Teilstrom die Membran durchdringt und als

Filtrat abgezogen wird. Der Deckschichtaufbau kann

durch Variation der Bedingungen bei der Überströmung

beeinflusst werden.

Im Vergleich zu trocken aufgestellten Membranmodulen

ist der spezifische Energiebedarf zur Erzeugung der Cross-

flow-Strömung bei getauchten Systemen geringer, es sind

aber größere Membranflächen vorzuhalten, da auch der

Fluss [l/(m2 �h)] geringer ist.

A.5.8.1.1

Getauchte Membranmodule

Die getauchten Membranmodule werden im aeroben Teil

des Belebungsbeckens oder in einem separaten „Filtra-

tionsbecken“ installiert (Abb. A-10 und A-11). Eine unter

den Membranen angeordnete grobblasige Belüftung und/

oder eine mechanische Bewegung erzeugt die erforderliche

Querströmung (Crossflow). Das Filtrat wird mittels eines

Unterdrucks von ca. 0,05 bis 0,6 bar (möglichst gering)

abgezogen.

A.5.8.1.2

Trocken aufgestellte Membranmodule

Bei trocken aufgestellten Anordnungen wird das Schlamm-

Wasser-Gemisch dem Belebungsbecken entnommen und

durch das Modul gepumpt. Die Crossflow-Strömung wird

durch eine Pumpe erzeugt. Aufgrund des hohen Strö-

mungsdruckverlustes in den heute üblichen Modulen ist

der Energiebedarf höher als bei getauchten Systemen. Die

sehr wirksame Deckschichtkontrolle führt allerdings auch

zu einem höheren spezifischen Fluss. Folgende Abbildung

A-12 zeigt die Anordnung schematisch.

A.5.8.2

Deckschichtkontrolle

A.5.8.2.1

Deckschichtkontrolle bei getauchten Systemen

Getauchte Systeme werden direkt in die Belebung oder in

ein externes Filtrationsbecken eingehängt (vgl. Abb. A-10

und A-11). Die Kontrolle der Deckschicht erfolgt durch

Lufteintrag im Fußbereich der Module. Die aufsteigenden

Luftblasen erzeugen an der Membranoberfläche unzäh-

303

Abb. A-12

Anordnung der trocken aufgestellten Membranmodule

Abb. A-10

Anordnung der getauchten Membranmodule im

aeroben Teil des Belebungsbeckens

Abb. A-11

Anordnung der getauchten Membranmodule in

einem externen Filtrationsbecken

AnhangA

lige kleine Wirbel. Die Druckunterschiede in den Wirbeln

lösen anhaftende Partikel von der Membranoberfläche.

Bei Hohlfasermembranen werden durch die Vielzahl der

Wirbel großflächige Bewegungen der Hohlfasern zueinan-

der erzeugt. Diese Bewegung kann durch eine intermittie-

rende Belüftung unterstützt werden, dabei entsteht ein

Pumpeffekt der eine Querströmung innerhalb der Faser-

bündel induziert. Diese verbesserte Deckschichtkontrolle

hat den weiteren Vorteil, dass der Energieverbrauch für

den Lufteintrag vermindert wird.

Bei Flachmembranen kann durch einen Einbau (Kasten-

struktur um die Membran herum) oder eine mechanische

Bewegung eine Zwangsströmung entlang der Membran

erzeugt werden. Der resultierende Druckluftheber fördert

den belebten Schlamm bei manchen Systemen, z. B. bei

Plattenmembranen, erst dann in effektiver Weise, wenn

unterhalb der Membran ein freier Aufströmkanal zur Be-

schleunigung des Luft-Schlamm-Gemisches angeordnet

ist.

A.5.8.2.2

Deckschichtkontrolle bei trocken aufgestellten

Systemen

Die Membranfiltration beim Membranbelebungsverfahren

wird bei trocken aufgestellten Systemen im „Crossflow“

betrieben. Durch tangentiale Anströmung der Membran-

oberfläche auf der feststoffhaltigen Seite wird die Deck-

schichtbildung durch Ablagerung abfiltrierter Partikel be-

grenzt, um einen konstanten Filtratfluss auf hohem

Niveau zu erreichen. Der Fluss ist um so höher, je durch-

lässiger, d. h. in der Regel auch je dünner, die filtrierende

Deckschicht auf der Membran ist. Um eine wirksame

Deckschichtkontrolle zu erzielen, wird ein mehrfaches

des Zuflusses (Feed) rezirkuliert. Übliche Geschwindigkeit

für die Querstrom- oder Crossflow-Filtration betragen je

nach Modulaufbau ca. 1 bis 4 m/s.

A.5.8.2.3

Generell

Die Erzeugung dieses „Crossflows“ trägt wesentlich zum

spezifischen Energiebedarf der Membranfiltration bei.

Ziel zahlreicher Verfahrensentwicklungen ist die Mini-

mierung des Energieeinsatzes durch Reduzierung des

Cross-flows bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines

hohen Flusses. Damit werden die erforderlichen Membran-

flächen und somit die Investitions- und Membranersatz-

kosten minimiert.

Abbildung A-13 stellt den theoretischen Zusammenhang

zwischen Membranfläche, Energiebedarf und Fluss für die

Membranbelebungsverfahren dar.

A.5.8.3

Reinigungsstrategien

Eine Reinigung der Membranen ist erforderlich, um dem

Rückgang des Flusses [genauer: der Permeabilität, ausge-

drückt in l/(m2 �h �bar)], vorbeugend entgegenzuwirken

bzw. bei zurückgegangenem Durchsatz die Permeabilität

wieder zu erhöhen. Ursachen für Permeabilitätsverluste

können sein:

304

Spez

ifisc

he M

embr

anflä

che

[m2 /

(m3 ·

h)]

Energiebedarf (kWh/m3)

Fläche

Fluss

GetauchteMembranmodule

Trocken aufgestellteMembranmodule

flow

[l/

(m2 ·

h)]

Abb. A-13

Qualitativer Zusammenhang zwischen erforder-

licher Membranfläche, Energiebedarf und Fluss

Anhang A

• Ablagerung von (kolloidalen) organischen und anorga-

nischen Partikeln

• Ablagerung und Ausfällung von Salzen (siehe Scaling)

• Ablagerung von organischen Makromolekülen

• Biofouling, d. h. Penetration und Aufwuchs von Mikro-

organismen und/oder deren Ausscheidungen wie En-

zyme, EPS (extrazelluläre polymere Substanzen) in und

an der Membran

Entsprechend der Verschiedenartigkeit der Ursachen sind

die Reinigungsstrategien an die Abwasserzusammenset-

zung, an die Betriebsweise der Belebungsstufe und an die

eingesetzten Membranen und Membranmodule anzupas-

sen.

Dabei ist zu unterscheiden zwischen prozessgesteuerten

integrierten Spülungen, periodischen in situ-Zwischenrei-

nigungen z. B. durch Rückspülung mit Chemikalienzusatz

und unregelmäßig durchgeführten diskontinuierlichen

Hauptreinigungen mit Chemikalien unter Außerbetrieb-

nahme der Filtrationseinheit.

Alle Reinigungsvorgänge laufen bei erhöhten Temperaturen

schneller ab. Zudem wird die gleiche Wirkung mit gerin-

gerer Chemikalienkonzentration erzielt, d.h. die Reinigung

erfolgt schonender. Für organische Membranen liegen

großtechnische Erfahrungen bis ca. 35 – 40 °C vor.

Da Reinigungsprozeduren stark von dem Membran- und

Modultyp abhängen und einer raschen Weiterentwick-

lung unterliegen, können hier nur generelle Hinweise

von exemplarischem Charakter gegeben werden.

Spülung/Rückspülung

Unter Rückspülung versteht man eine intervallweise,

kurzfristige Umkehrung der Strömungsrichtung in den

Membranen zur Ablösung der beim Filtrationsvorgang

angelagerten „Partikel“ (Deckschicht). Diese Rückspülung

erfolgt in der Regel mit Filtrat.

Ein typisches Beispiel für ein am Markt befindliches Hohl-

fasermodul ist eine Filtration von 5 – 8 Minuten Dauer,

gefolgt von einen Rücklspül intervall von ca. 30 – 40 s.

Anmerkung: Bei einer solchen Betriebsweise ist bei der

Angabe des Flusses, zwischen Bruttofluss (Fluss während

der Filtrationsphase) und dem Nettofluss, d. h. dem über

eine komplette Sequenz aus Filtration und Rückspülung

unter Berücksichtigung der Rückspülmenge erzielten Fluss

zu unterscheiden.

Unter Spülung versteht man in der Regel den kurzzeitigen

Betrieb mit klarem Wasser ohne Umkehrung der Permea-

tionsrichtung, um die Deckschicht abzuschwemmen und

auszutragen. Dies wird üblicherweise bei trocken aufge-

stellten Membranmodulen angewandt.

Zwischenreinigung

(maintenance cleaning; chemical enhanced backwash)

Bei der (Zwischen-)Reinigung werden dem (Rück-)Spülwas-

ser Chemikalien wie z. B. Zitronensäure oder oxidierende

Chemikalien (z. B. Hypochlorit) zugesetzt. Die Reinigung

erfolgt in situ, d. h. die Membrane bleibt in der Regel in

Kontakt zum Schlamm-Wasser-Gemisch (das Schlamm-

Wasser-Gemisch kann auch abgelassen werden). Das Zeit-

intervall zwischen zwei Spülungen, die Art der Chemika-

lien und deren Konzentration sind anwendungsspezifisch.

Typische Zwischenreinigungsintervalle, z. B. mit Natrium-

Hypochlorit (NaOCl) oder Säure, betragen wenige Tage

bis mehrere Wochen. Die Spülung erfolgt mit sehr gerin-

gem Rückspülfluss – häufig in einem mehrfach durchlau-

fenen Zyklus von kurzzeitigem Spülen – Einwirken lassen

– Spülen – um den Chemikalieneintrag und die uner-

wünschte Schadstoffneubildung (AOX) zu minimieren.

Hauptreinigung (intensive cleaning)

In größeren Abständen – je nach Anwendung ca. einmal

monatlich bis zweimal jährlich – kann es erforderlich sein,

eine intensive Reinigung durchzuführen. Dazu werden

entweder die Membranmodule in ein separates Reini-

gungsbecken gegeben oder es wird das Schlamm-Wasser-

Gemisch abgezogen und gegen Reinigungslösungen aus-

getauscht.

Die Reinigungschemikalien hängen naturgemäß vom

Anwendungsfall ab. Es ist zweckmäßig, die Reinigung mit

warmem Wasser durchzuführen. Eine typische Reinigungs-

sequenz kann z. B. aus folgenden Schritten bestehen:

305

AnhangA

306

• Spülen/Abspülen der Membranen mit Wasser

• Behandlung mit Säure, z. B. Zitronensäure (250 – 2.000

ppm) unter Zusatz von Salz- oder Schwefelsäure zur

Einstellung des pH-Wertes auf 2 – 3, zur Ablösung/

Entfernung anorganischer Beläge Einwirkzeit 0,5 h bis

ca. 4 h, Wechsel zwischen Rückspülung und Einwirkzeit

• Zwischenspülung (Neutralisation) um Salzablagerungen

und Wärmeentwicklung in der Membran (Neutralisa-

tionswärme) zu vermeiden, wenn nachfolgend bei alka-

lischen pH-Werten gereinigt wird

• Reinigung mit oxidativen Chemikalien zur Oxidation

von organischen und bakteriellen Ablagerungen, z. B.

0,05 %ige Lösung (Gew. %) (= 500 ppm (500 mg/l)

bezogen auf aktives Chlor), d. h. ca. 0,4 %ige NaOCl-

Lösung (= 4.000 ppm NaOCl) bei pH 11 für 5 bis 20 h

Einwirkzeit ggf. bei erhöhter Temperatur

• Schlussspülung mit Wasser zum Auswaschen der Natron-

lauge (NaOH). Dadurch wird das Scalingpotenzial ver-

ringert und die Gefahr einer Verseifung (Reaktion der

NaOH mit Fett und Öl zu Glycerin und Na-Salzen der

Fettsäuren), durch die eine unerwünschte Schaument-

wicklung auftreten kann, vermindert.

Generell ist zu beachten, dass die Reinigungslösung je nach

Verschmutzungsgrad der Membranen nachgeschärft oder

ausgetauscht wird.

Hinweise und Erfahrungen zur Reinigung

Der Vielzahl der Anwendungsfälle und der Verschieden-

artigkeit der Membranen und Membranmodule entspre-

chend sind Reinigungskonzepte und Erfahrungen nicht

beliebig übertragbar. Allgemein ist jedoch zu beachten:

• Reinigungschemikalien können – vor allem in konzen-

trierter Form – Membranen, Stützgewebe der Membra-

nen, Komponenten der Membranmodule, aber auch

Behälterwandungen und Armaturen angreifen.

– Dies gilt insbesondere bei niedrigen (hohen) pH-Wer-

ten, wobei zu beachten ist, dass z. B. durch chemi-

sche Reaktionen lokal deutlich höhere pH-Werte auf-

treten können als im Reaktor gemessen/berechnet

(Beispiel: pH-Anstieg durch die Oxidation von orga-

nischen Stoffen mit Na-Hypochlorit).

• Oxidierende Chemikalien greifen organische Membra-

nen an und führen zu einer beschleunigten Alterung.

Je aggressiver die Chemikalie, je höher die Konzentra-

tion und je länger die Einwirkzeit, umso größer ist die

Membranschädigung. Einige Membranhersteller geben

chemikalienspezifische Maximalwerte für das Produkt

aus Chemikalienkonzentration und Einwirkzeit an. Bei-

spiel: 250.000 ppmh freies Chlor bedeuten 500 h mit

500 ppm Lösung, oder 100 h mit 2.500 ppm Lösung.

• Reinigungschemikalien können durch chemische Reak-

tionen ihrerseits Störungen hervorrufen oder Schad-

stoffe bilden. Als Beispiele seien genannt:

– Verseifung durch Reaktion von NaOH mit Fetten und

Ölen " starke Schaumbildung. Maßnahme: gutes

Nachspülen mit Wasser

– Salzablagerungen in der Membran durch Neutralisa-

tionsreaktionen. Maßnahme: ausreichend Zwischen-

spülung mit Wasser

– AOX-Bildung durch Reaktion von OCl– mit organi-

schen Inhaltsstoffen. Maßnahmen: Verwendung von

Trinkwasser (statt Filtrat) zum Ansetzen der Reini-

gungslösung; Verwendung halogenfreier Oxidations-

mittel wie z. B. H2O2, Peressigsäure (Reinigungswir-

kung prüfen!)

• Reinigungslösungen sind ordnungsgemäß zu lagern

und können ggf. aufbereitet und mehrfach eingesetzt

werden. Alle Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit

Chemikalien sind zwingend einzuhalten.

• Die Reinigungslösungen sind ordnungsgemäß zu ent-

sorgen. (In der Regel können sie der Belebungsanlage

zugeführt werden – prüfen!)

• Bereits bei der Planung ist zu berücksichtigen, ob die

meist notwendigen Hauptreinigungen in situ oder in

einem externen Reinigungsbecken erfolgen sollen. Dies

hat kostenrelevante Konsequenzen bezüglich der Mate-

rialwahl (z. B. Behälterbeschichtungen, Armaturen),

sowie hinsichtlich der Logistik von Entnahme und

Transport der Membranen, Durchführbarkeit einer Rei-

nigung bei erhöhter Temperatur, Flexibilität bezüglich

der Chemikalienauswahl etc.

• Bei der Konzentrationsangabe von Reinigungslösungen

sind präzise Angaben von Nöten. Insbesondere bei der

Verwendung von Hypochlorit ist anzugeben, ob sich

die Konzentrationsangabe auf NaOCl, HOCl, OCl–, das

rechnerisch enthaltene Cl oder das freie (aktive) Chlor

bezieht. Bei der Umrechnung von Liter auf kg, Gew-%

oder ppm ist die Dichte der handelsüblichen NaOCl-

Lösung (Chlorbleichlauge) von � = 1,2 kg/l zu berück-

Anhang A

307

sichtigen. Die Lösung enthält maximal 12 – 13 % wirk-

sames (freies, aktives) Chlor.

• Es ist sinnvoll, die Reinigungsprozeduren mit dem Mem-

branlieferanten/-hersteller detailliert abzusprechen und

die Durchführung der Reinigungen genau zu protokol-

lieren. Insbesondere bezüglich der Garantieleistungen

sollten Vereinbarungen über Reinigungskonzepte,

-intervalle und zu protokollierende Parameter getroffen

werden.

A.5.9

Anforderungen an den Zulauf

A.5.9.1

Allgemeines

Bevor das Abwasser einer Membranbelebungsanlage zuge-

führt wird, müssen störende Stoffe, wie z. B. langfaserige,

fädige oder stark abrasive, scharfkantige Stoffe, die je nach

Aufbau die Module verstopfen oder die Membranen

mechanisch zerstören können, entfernt werden.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass auch gelöste Abwas-

serinhaltsstoffe Membranen schädigen können. Gegebe-

nenfalls sind membrantypische Spezifikationen (Grenz-

werte) zu beachten. Dies betrifft einerseits die im Abwas-

ser enthaltenen (nicht abbaubaren) organischen Lösemit-

tel, aber auch Stoffe, die bei der Abwasserbehandlung

zugesetzt werden, wie z. B. Entschäumer (muss silikonfrei

sein!) und organische Polymere. Im spezifischen Anwen-

dungsfall sollten die Erfahrungen der Hersteller und Lie-

feranten genutzt werden.

A.5.9.2

Mechanische Vorbehandlung

Siebe

Bei allen Membranbelebungsanlagen sind verzopfende,

scharfkantige und verklumpende Stoffe sicher zurückzu-

halten. Die verschiedenen Industriezweige zeigen in ihrer

Abwasserzusammensetzung große Unterschiede in diesem

Bereich. Fasermengen, wie sie im kommunalen Abwasser

enthalten sind, kommen nur in wenigen Branchen vor.

Siebanlagen mit 0,5 – 2 mm Lochweite bzw. Spaltsiebe

mit 0,5 – 1,0 mm Spaltweite sind im Allgemeinen ausrei-

chend. Ist eine Vorklärung vorgeschaltet, so übt eine

Siebanlage vorrangig eine Sicherheitsaufgabe aus.

Fett- und Leichtstoffabscheidung

Ungelöste, schwer abbaubare Fette und Öle sind vor der

Beschickung der Membranbelebungsanlage aus dem

Abwasser zu entfernen, da diese die Filtratleistung beein-

trächtigen können. Gut abbaubare Fett- und Leichtstoffe

stellen in der Regel kein Problem dar.

Vorklärung

Eine Vorklärung sollte bei hohen Konzentrationen an

Feststoffen vorgesehen werden, um den aktiven Anteil

des belebten Schlamms nicht so stark abzusenken, dass

die biologische Reinigungsleistung negativ beeinflusst

wird.

A.5.9.3

Misch- und Ausgleichsbecken

Der hydraulische Ausgleich ist bei Membranbelebungsan-

lagen von großer Bedeutung. Die Membranfläche muss

äquivalent zur Nachklärung auf die maximale Wasser-

menge bemessen werden. Da die Bereitstellung großer

Membranflächen kostenintensiv ist und eine Durchsatz-

erhöhung bei starkem Abwasseranfall nur sehr begrenzt

möglich wäre, ist der Abwasserzufluss zweckmäßigerweise

zu vergleichmäßigen. Hierzu eignen sich Mengenaus-

gleichsbecken, unabhängig von Erwägungen zum Kon-

zentrationsausgleich.

Wenn der Abwasseranfall nur geringen Schwankungen

unterliegt, kann das notwendige Speichervolumen im

Becken selbst bereit gestellt werden, da das Belebungs-

becken in begrenztem Umfang aufgestaut werden kann.

A.5.9.4

Calcium-Gehalt

Höhere Ca2+-Konzentrationen (> 200 mg/l) im Bereich der

Membranen, sei es aus dem Einsatz in der Produktion,

vorgeschalteten Fällungsverfahren oder aus der Neutrali-

sation von sauren Abwässern mit Kalkmilch, können pro-

blematisch sein. Durch den hohen Lufteintrag, der bei

AnhangA

getauchten Membranen für ausreichend turbulente Strö-

mung an den Membranen sorgt, wird ein großer Teil des

im Belebungsbecken gebildeten CO2 ausgetrieben. Die

damit verbundene pH-Wert-Erhöhung (Stichwort: Kalk-

Kohlensäure-Gleichgewicht, Löslichkeitsprodukt) kann

ebenso wie eine mögliche Freisetzung von CO2 bei Passage

durch die Membran – bei großem Druckgefälle über die

Membran – zum Ausfallen von CaCO3 (= Scaling) auf der

Membran und damit zum Rückgang der Filtrationsleis-

tung führen. Als Folge können vermehrt Reinigungen der

Membranen mit Säure erforderlich sein.

A.5.9.5

Eisen- und Aluminiumgehalt

Industrielle Teilströme verschiedener Branchen können

Eisen- und Aluminiumsalze enthalten. Häufig werden sie

als Fällmittel zur Unterstützung einer Vorklärung einge-

setzt, teilweise sind sie schon im Teilstrom selbst enthalten.

Oxidierte Formen und partikuläre Verbindungen sind

ohne Einfluss auf die Membran und die Filtrationseigen-

schaften. Gelöste Verbindungen, die unter den aeroben

Bedingungen in einer Belebung oxidiert werden, können

eine Belagbildung bewirken. Die Oxidation erfolgt zum

Teil direkt auf der Membran, so dass die dann ungelöste

Ausfällung an der Oberfläche haftet. Die resultierende

sichtbare Färbung kann bei Bedarf durch eine gezielte

Säuerung entfernt werden.

A.5.10

Bemessungshinweise für Membranbelebungs-

anlagen

A.5.10.1

Allgemeines

Der biologische Abbau organischer Stoffe in Membranbe-

lebungsanlagen unterscheidet sich nicht grundsätzlich

von dem in konventionellen Anlagen, d. h. diese werden

unter Energiegewinn zu CO2 oxidiert und zum Zellaufbau

genutzt. Die gebildete Biomasse fällt – gemeinsam mit

den eingetragenen nicht abbaubaren und unlöslichen

partikulären Substanzen – als Überschussschlamm an

(Kapitel A.5.11.1.3.).

Membranbelebungsanlagen unterscheiden sich jedoch

von konventionellen Anlagen insbesondere durch den

hohen TS-Gehalt im Belebungsbecken (üblicherweise

10 bis 20 g/l, konventionell 3 bis 5 g/l) und die dadurch

bedingten veränderten Schlammeigenschaften. Während

Belebungsbecken nach der abzubauenden Fracht bemessen

werden, bestimmt sich die Membranfläche entsprechend

dem Nachklärbecken nach dem hydraulischen Durchsatz.

Wegen der höheren Kostenrelevanz der Filtrationseinheit

ist auf die hydraulische Dimensionierung besondere Sorg-

falt zu legen (vgl. Kapitel A.5.12).

Vergleiche von Betriebsergebnissen von Membranbele-

bungsanlagen mit theoretischen Modellen haben ergeben,

dass der Schlammertrag relativ gut abgebildet werden

kann, besonders mit detaillierteren Modellen, wie dem

Activated Sludge Model der International Water Associa-

tion, aber auch mit einfacheren Ansätzen, sofern die spe-

zifischen Randbedingungen des jeweiligen industriellen

Abwassers ausreichend berücksichtigt werden; bei hohen

Schlammaltern empfiehlt es sich gegebenenfalls die

Berechnung auf Erhaltungsstoffwechselbasis durchzufüh-

ren [WICHERN UND ROSENWINKEL 2002].

Die Referenzlage zeigt insgesamt, dass die aktuelle inge-

nieurmäßige Bemessung auf der Grundlage halbtechni-

scher Vorversuche die Basis für viele gut funktionierende

Anlagen ist.

A.5.10.2

Flächenbedarf

Bei der industriellen Abwasserreinigung ist der Flächen-

bedarf der Anlage häufig ein entscheidendes Kriterium.

Bei Neuansiedlungen kann dies meist noch berücksichtigt

werden, bei über Jahrzehnten gewachsenen Industriebe-

trieben ist eine Abwasserbehandlung auf dem Betriebs-

gelände oft nur schwer oder gar nicht möglich.

Durch die Reduktion der erforderlichen Belebungsbe-

ckengröße auf ca. die Hälfte bis ein Viertel gegenüber

einer konventionellen Belebungsanlage und den Wegfall

der Nachklärung wird der Flächenbedarf der Kläranlage

stark reduziert. Dies ist häufig für Industriebetriebe ein

entscheidender Vorteil, bzw. ermöglicht erst eine Abwas-

seraufbereitung vor Ort.

308

Anhang A

A.5.10.3

Eliminationsraten

Bei einer Betriebsweise mit geringem Überschussschlamm-

anfall sind der stark erhöhte Sauerstoffverbrauch, die

Ablaufqualität und die potenziell mögliche Akkumulation

von Schad- und Hemmstoffen am belebten Schlamm zu

beachten.

Der spezifische Sauerstoffverbrauch steigt mit sinkender

Schlammbelastung, d. h. mit abnehmendem spezifi-

schem Überschussschlammanfall, da die organische Subs-

tanz dann weitgehend zu CO2 oxidiert werden muss

[CORNEL 2000].

Im Einzelfall ist – im Vergleich zu einer konventionellen

Belebung – zwischen den folgenden zwei Grenzfällen zu

entscheiden, die eine Membranbelebungsanlage durch

die erhöhten TS-Gehalte potenziell bietet:

• Kleinere Belebungsvolumina bei gleicher Schlammbe-

lastung und gleichem Überschussschlammanfall oder

• gleiche Belebungsbeckenvolumen und geringere

Schlammbelastung bei geringerem Schlammanfall aber

den damit verbundenen deutlich höheren Energiekosten.

Eine Realisierung sämtlicher „positiven“ Eigenschaften –

wenig Energie, wenig Überschussschlamm und kleine

Belebungsbecken – ist in einer Anlage nicht möglich, da

sie sich zum Teil gegenseitig ausschließen.

Wie sich eine Betriebsweise mit geringem Überschuss-

schlammanfall, d. h. bei niedriger Schlammbelastung, auf

die Ablaufqualität („refraktäre Stoffe“) auswirkt, ist im

Einzelfall zu klären und hängt von den Inhaltsstoffen

und den Betriebsbedingungen (Schlammalter) ab. Ultra-

und Mikrofiltrationsmembranen selbst halten praktisch

keine niedermolekularen Substanzen zurück, jedoch ist

ein verstärkter Abbau von sehr langsam abbaubaren Stof-

fen bei hohen Schlammaltern möglich, gegebenenfalls

auch ein Rückhalt von Makromolekülen durch die Deck-

schicht. An Partikeln gebundene Inhaltsstoffe, z. B. adsor-

bierte AOX–Verbindungen, werden von der Membranan-

lage zurückgehalten.

Im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen wir-

ken sich Frachtstöße aufgrund der geringeren Verdün-

nung, bedingt durch das geringere Belebungsbeckenvolu-

men bei gleicher Schlammbelastung, stärker auf die Ab-

laufkonzentration aus. Generell gilt, dass bei sehr geringer

Schlammbelastung [BTS < 0,03 kg BSB5/(kg TS �d)] auf-

grund der geringeren Aktivität der Biomasse Frachtstöße

schlechter abgebaut werden können.

Ein gehemmter Abbau durch die Akkumulation von

Schwermetallen im belebtem Schlamm ist aus einzelnen

Industriebranchen bekannt. Bei erhöhten Schwermetall-

konzentrationen im Abwasser ist bei Membranbelebungs-

anlagen in besonderem Maße auf die Kontrolle des

Schlammalters zu achten.

Die Phosphorelimination in Membranbelebungsanlagen

ist in einfacher Weise durch eine Simultanfällung mit

Eisensalzen möglich. Da die Ultrafiltration auch sehr kleine

Flocken schon sicher zurückhält, sind insgesamt bessere

Ablaufwerte zu erreichen. Das Mol-Verhältnis kann dabei

sogar etwas günstiger eingestellt werden. Durch die An-

passung der Reinigungsstrategien und der Reinigungs-

mittel kann der Anlagerung von Fällmittelresten an der

Membranoberfläche sicher entgegengewirkt werden. Die

Membranfiltration selbst wird in in der Regel nicht durch

eine regelmäßige Fällmitteldosierung beeinflusst. Bei ent-

sprechender Auslegung der Anlage ist die biologische

Phosphorelimination auch bei Einstellung des Schlamm-

alters im Stabilisierungsbereich möglich.

Eine Membranfiltration erzeugt feststofffreies Abwasser,

welches weitestgehend entkeimt ist. Vergleichbare Ab-

laufwerte sind mit herkömmlichen mechanisch-biologi-

schen Verfahren nicht zu erreichen, selbst wenn eine

konventionelle Filtration, beispielsweise ein Sandfilter,

nachgeschaltet wird.

A.5.10.4

Belüftung

Der Stoffübergang des Sauerstoffs aus der Gasblase in die

wässrige Phase wird u. a. durch die Parameter Salzkonzen-

tration, Viskosität des Mediums, grenzflächenaktive Stoffe,

Oberflächenspannung, Feststoffgehalt, Belüftungssystem,

Turbulenz und Druck (Wassertiefe) beeinflusst. Ein gene-

309

AnhangA

reller Richtwert von Sauerstoffeinträgen und �-Werten

kann für industrielle (Membran-)Belebungsanlagen nicht

angegeben werden. In Industriekläranlagen mit konven-

tioneller Verfahrenstechnik können sich aufgrund ver-

schiedener Abwasserinhaltsstoffe und vor allem durch

hohe Salzkonzentrationen (> 5 g/l) auch �-Werte > 1 ein-

stellen. Diese wirken über ihre koaleszenzmindernde Wir-

kung positiv auf den Sauerstoffübergang. Da der Sauer-

stoffeintrag jedoch von der dynamischen Viskosität und

diese wiederum auch stark von der Schlammkonzentration

abhängt, ist bei höheren TS-Gehalten mit niedrigeren �-

Werten als in konventionellen Belebungen, bei erhöhten

Salzgehalten jedoch mit relativ höheren �-Werten als im

kommunalen Bereich zu rechnen.

Der Eintrag von Luft bzw. Reinsauerstoff ist auch mit In-

jektorsystemen möglich. Im Fall von Abwässern, die zu

Ausfällungen neigen, sollte berücksichtigt werden, dass

in intensiv belüfteten Zonen ein Anstieg des pH-Wertes

eintreten wird. Bedingt ist dies durch die Strippung des

CO2, welches sich umgekehrt bei der Belüftung mit Rein-

sauerstoff und folglich geringem CO2-Austrag, anreichern

kann.

Bei der Übertragbarkeit der Ergebnisse von Sauerstoffein-

tragsmessungen im halbtechnischen- oder Labormaßstab

auf großtechnische Anlagen ist zu beachten, dass die fluid-

dynamischen Kenngrößen nur bedingt abgebildet und

übertragen werden können. Sauerstoffeintragsmessungen

sollten an Versuchsanlagen mit dem zu behandelnden

Abwasser und den angestrebten Schlammkonzentrationen

durchgeführt werden, möglichst bei gleicher Einblastiefe.

A.5.10.5

Hydraulik

A.5.10.5.1

Flexibilität

Der modulare Aufbau von Membrananlagen erlaubt die

Anpassung an Durchsatzschwankungen durch An- und

Abschalten einzelner Module. Insbesondere bei niedri-

gem Durchsatz ist die Abschaltung einzelner Module

in der Regel energieeffizienter als die Durchsetzung des

Flusses bei Nutzung der kompletten Membranfläche. Bei

dauerhafter Erhöhung der Abwassermenge ermöglicht der

modulare Aufbau eine einfache Nachrüstung und Anpas-

sung an die Erfordernisse. Auf eine möglichst gleiche Be-

aufschlagung der einzelnen Module sollte sowohl plane-

risch als auch betrieblich Wert gelegt werden.

A.5.10.5.2

Rezirkulation

Der belebte Schlamm dickt an der Membran durch den

Abzug von Filtrat ein. Werden getauchte Membranen

direkt in die Belebung eingehängt, so ist die gezielte Strö-

mungsführung durch ein Mischaggregat als Ausgleichs-

maßnahme ausreichend.

Sind die Membranen in separaten Tanks eingebaut oder

trocken aufgestellt, so ist eine ausreichende Rezirkulation

sicherzustellen. Die Rezirkulationsmenge ist im Allgemei-

nen im Bereich des mindestens Vier- bis Fünffachen der

aktuell abgezogenen Filtratmenge zu wählen.

In Filtrationstanks mit getauchten Modulen sollte der

Ablauf dem Zulauf gegenüberliegen, um Kurzschluss-

strömungen zu vermeiden.

Der Rezirkulationsstrom ist im Falle der getauchten Mem-

branen mit Sauerstoff angereichert. Diese Tatsache ist zu

berücksichtigen, falls dieser Strom direkt in die Denitrifi-

kation zurückgeführt werden soll.

A.5.10.6

Temperatureinfluss

Bei der Behandlung von Abwasser tritt als Folge des bio-

logischen Abbaus je abgebautem g/l CSB ein Temperatur-

anstieg von ca. 2 – 3 °C auf. Dieser Temperaturanstieg

muss bei der Behandlung hochbelasteter industrieller

Abwässer gegebenenfalls berücksichtigt werden, bei nie-

drigen Temperaturen ist dies jedoch unproblematisch.

Für trocken aufgestellte Systeme ist zu prüfen, ob auch

durch den Energieeintrag der elektrischen Aggregate,

z. B. der Pumpen zur Erzeugung des Crossflow, mit einem

Temperaturanstieg in der Belebung zu rechnen ist.

310

Anhang A

Bezüglich der Flusseigenschaften erweisen sich erhöhte

Temperaturen beim Einsatz von Membranen durchaus als

vorteilhaft. Bei Belebungsanlagen ist die Temperatur auf

37 – 39°C zu begrenzen.

A.5.11

Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen

A.5.11.1

Schlammeigenschaften

A.5.11.1.1

Schlammcharakterisierung

Die Schlammeigenschaften unterscheiden sich aufgrund

des erhöhten Feststoffgehalts deutlich von belebten

Schlämmen aus konventionellen Anlagen. Insbesondere

die in Crossflow-Anlagen auftretenden hohen Scherbe-

anspruchungen tragen mit dazu bei, dass sich im mikros-

kopischen Bild vermehrt Einzelbakterien finden lassen.

Der Schlamm kann je nach Biozönose in Abhängigkeit

von der Abwasserqualität zäh, dickflüssig und auch gelartig

sein. Bei entsprechend hohen Feststoffgehalten kann es

zum Einschluss von Sauerstoffbläschen kommen. Die

Viskosität ist in der Regel gegenüber konventionellem

belebten Schlamm deutlich erhöht. Die Feststoffgehalte

betragen

• bei getauchten Modulen: 10 – 15 g TS/l und

• bei trocken aufgestellten Modulen: bis zu 30 g TS/l.

Der Trockensubstanzgehalt ist nicht direkt korrelierbar

mit der Viskosität und der Filtrierbarkeit. Innerhalb einer

Anlage kann dieser jedoch als Indikator verwendet wer-

den.

A.5.11.1.2

Rheologische Eigenschaften

Belebte Schlämme zeigen ein mehr oder weniger stark

ausgeprägtes strukturviskoses Fließverhalten, d. h. mit

steigender Scherbeanspruchung nimmt die Viskosität ab.

Die Viskosität des sich in der Membranbelebung entwi-

ckelnden belebten Schlamms ist von vielen Faktoren ab-

hängig, z. B. von Größe und Struktur der Schlammflocken,

der Zusammensetzung des Abwassers, dem TS-Gehalt ins-

gesamt sowie dem organischen Anteil im TS-Gehalt und

der physiologischen Beschaffenheit der Biologie [z. B.

Ausbildung von extrazellulären polymeren Substanzen

(EPS) unter bestimmten Betriebsbedingungen], z. B. Flo-

ckenstress durch Umpumpen. Eine einfache Korrelation

zwischen Viskosität und TS-Gehalt von belebten Schläm-

men aus unterschiedlichen Anlagen ist deshalb nicht

möglich.

Soll als Hilfsparameter zur Beschreibung des Stoffübergangs

(d. h. des Sauerstoffeintrags) der Zusammenhang zwischen

der Viskosität und dem TS-Gehalt der Biologie ermittelt

werden, so muss das für jede Anlage/jedes Abwasser gege-

benenfalls auch jeden Belastungszustand individuell

erfolgen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass es auf-

grund des mehr oder weniger stark ausgeprägten struktur-

viskosen Fließverhaltens des belebten Schlamms keine

einheitliche Viskosität im gesamten Klärbecken gibt, son-

dern diese sich abhängig von der lokalen Scherbeanspru-

chung einstellt. Somit ist jede Aussage über „die“ Visko-

sität eines belebten Schlamms nur sinnvoll, wenn gleich-

zeitig die zugehörige Scherbeanspruchung (Schergefälle

D in s-1) mit angegeben wird.

Die Konsistenz, Anzahl freier Bakterien, Flockenstruktur,

inerte Anteile etc. haben naturgemäß großen Einfluss auf

die Filtrierbarkeit des belebten Schlamms. Obschon inner-

halb einer Anlage die Filtrierbarkeit ggf. mit dem TS-

Gehalt korreliert, ist dieser Parameter zur Bemessung der

erforderlichen Membranfläche zu ungenau. Hier sind

Versuche durchzuführen.

Die betriebsmäßige Erfassung der rheologischen Eigen-

schaften, z. B. durch kontinuierliche Messung der Viskosi-

tät bei einem bestimmten Schergefälle bzw. die Messung

von Fließkurven, kann für Membranbelebungsanlagen

– in Verbindung mit der TS-Bestimmung sowie der regel-

mäßigen optischen Beurteilung der Biozönose im mikros-

kopischen Bild – eine sinnvolle Ergänzung der Prozess-

parameter zur Steuerung der Belebungsanlage darstellen

(vgl. hierzu GÜNDER 1999; KRAUSE ET AL. 2001).

311

AnhangA

A.5.11.1.3

Überschussschlammproduktion

Die Schlammproduktion ergibt sich aus dem Wachstum

der heterotrophen und autotrophen Biomasse sowie dem

biologisch inerten Anteil der zufließenden Feststoffe und

dem durch Absterben der Biomasse gebildeten inerten

Material. Während der organische Anteil bei unendlich

hohem Schlammalter zumindest theoretisch nahezu voll-

ständig biologisch abgebaut werden kann, verbleibt der

unlösliche partikuläre mineralische Anteil in der Bele-

bung und muss als Überschussschlamm abgezogen wer-

den. Da die Wachstumsraten bei üblichen Systemeinstel-

lungen stets größer sind als die Sterberaten, entsteht

auch ein organischer Anteil am Überschussschlamm.

Es gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei allen

Belebungsverfahren, d. h. der Schlammertrag sinkt bei

• sinkender Schlammbelastung, d. h. steigendem

Schlammalter,

• sinkendem Feststoffeintrag und

• steigender Temperatur.

Industrielle Abwässer zeichnen sich häufig durch hohe

Temperaturen und geringe Feststoffgehalte aus. Dies

begründet, warum bei industriellen Abwässern der Über-

schussschlammanfall, bezogen auf die behandelte Fracht,

häufig niedriger ist als im kommunalen Bereich. Diese

Tendenz wird durch den Einsatz einer niedrig belasteten

Membranbelebung noch verstärkt.

Der abgezogene Überschussschlamm stellt beim Bele-

bungsverfahren die Senke für viele nicht abbaubare, aber

sorbierbare Substanzen dar. Entfällt diese Ausschleusung,

so finden sich die Stoffe entweder im Filtrat wieder oder

sie akkumulieren – sofern sie nicht membrangängig sind

– im System. Da etliche nicht abbaubare Stoffe oberhalb

bestimmter Schwellenkonzentrationen biologisch hem-

mend oder bakterientoxisch wirken, sollte auch aus die-

sem Grund in jedem Einzelfall ein regelmäßiger Über-

schussschlammabzug erwogen werden.

A.5.11.1.4

Schlammbehandlung

Grundsätzlich können sämtliche auf dem Markt einge-

setzten Systeme zur Entwässerung verwendet werden. Auf

eine optimale Einmischung der Polymere ist aufgrund

der bei höheren TS-Gehalten höheren Viskosität des

Überschussschlammes zu achten.

Je nach Abwassersituation kann es sinnvoll sein, den bio-

logischen Überschussschlamm nicht separat zu behan-

deln, sondern in Mischung mit gegebenenfalls anfallen-

dem Primärschlamm aus einer Vorklärstufe zu entwäs-

sern. Damit kann unter Umständen der Verbrauch an

Konditionierungsmitteln reduziert werden. Es wurde fest-

gestellt, dass sich die Beimischung von z. B. verbrauchter

und daher ohnehin zu entsorgender Aktivkohle positiv

auf das Entwässerungsverhalten auswirken kann. Dies

dürfte auch für andere strukturbildende Zusatzstoffe gelten.

In jedem Einzelfall sollte darauf geachtet werden, dass

membranverträgliche Polymere zur Schlammentwässe-

rung eingesetzt werden. Diese sollten durch Labor- oder

Technikumversuche geprüft werden.

A.5.11.1.5

Schaumbildung

Die bei trocken aufgestellten Membranen erforderlichen

Druckunterschiede sowie Anströmbedingungen können

zu einem erheblichen Stress der Biozönose und damit zu

erhöhter EPS-Bildung führen, was wiederum insbesonde-

re im Zusammenhang mit der intensiven Belüftung zur

erheblichen Schaumbildung führen kann.

Konstruktive Möglichkeiten sind z. B. flache Behälter mit

großer Oberfläche (vorteilhaft gegenüber schlanken

Behältern) oder mechanische oder physikalische Schaum-

zerstörung. Bei Verwendung von Entschäumern ist auf

deren Membranverträglichkeit zu achten.

312

Anhang A

A.5.12

Wirtschaftlichkeit

A.5.12.1

Definition der Wirtschaftlichkeit

Obwohl der Begriff Wirtschaftlichkeit ständig in Technik

und Wirtschaft verwendet wird, gibt es keine generelle

Definition als Maßstab für die Angabe einer Wirtschaft-

lichkeit. Man muss für jeden Einzelfall Wirtschaftlichkeit

definieren. Da Membranbelebungsverfahren mit großer

Wahrscheinlichkeit bei entsprechenden Anforderungen

an die Ablaufqualität des gereinigten Abwassers zum Ein-

satz gelangen werden, kann man eine Vergleichsgröße zu

anderen Abwasserreinigungsverfahren definieren: „Das

Membranbelebungsverfahren ist wirtschaftlicher als ein

konventionelles Verfahren, wenn der Barwert (oder Kapi-

talwert) der abgezinsten Ausgaben nach X Jahren gleich

oder größer ist als der Barwert für die alternativen Verfah-

ren bei vergleichbaren Reinigungsergebnissen“. Die Be-

rechnung des Barwertes wird von der ATV–DVWK emp-

fohlen, die Berechnung des Kapitalwertes wird in der

industriellen Praxis häufiger angewendet – sie unterschei-

den sich jedoch nur dadurch, dass man im einen Fall auf

den Anfangszeitpunkt und im anderen auf den Wert am

Ende des Betrachtungszeitraumes abstellt.

Die Berechnung des Barwertes setzt voraus, dass die Auf-

wendungen für die Finanzierung der Investition (Zins

und Tilgung) sowie die Betriebskosten eines Jahres und

für die kommenden Jahre bekannt sind. Die Art der

Finanzierung der Anschaffung und die angesetzte Lebens-

dauer (von Anlagen, Maschinen und Ersatzteilen) wirken

sich auf den Anteil der fixen Kosten aus. Die Betriebskos-

ten setzen sich im Wesentlichen aus den Energie- und

Reinigungskosten, den Ersatzkosten für die Membranen

sowie für Personal, Hilfsstoffe usw. zusammen. Eventuell

können die vermiedenen Kosten (beispielsweise für ein-

gesparte Flächen, weitergehende Reinigungsschritte,

erhöhte Ablaufqualität etc.) in die Betrachtung einbezogen

werden.

Das verfahrenstechnische Konzept bestimmt sowohl die

Höhe der fixen Kosten, da die Art und Größe der Anlage

das Investitionsvolumen und damit die Höhe der jähr-

lichen Belastungen festlegt, als auch die variablen Kosten.

Die gewählte Membranfläche, die Anzahl der Module

(und der Reserven), das resultierend benötigte Volumen

an Reaktoren bestimmt die Höhe der Investition, die

Betriebsweise die Höhe der Energie-, Personal- und Reini-

gungskosten. Aspekte, die sich auf die Kosten auswirken,

sind:

A.5.12.2

Investition/Kapitalkosten

Wesentlich auf die Höhe der Kapitalkosten bei Membran-

belebungsverfahren wirken sich die angesetzten Nutzungs-

und Abschreibungsdauern der einzelnen Komponenten

aus. Hier muss der Planer nach Angaben der Membran-

hersteller Vorschläge erarbeiten und der Auftraggeber die

Festlegungen treffen.

Größten Einfluss auf die Kapitalkosten haben die erfor-

derlichen Beckenvolumina und die notwendigen Mem-

brantrennflächen, wobei die benötigte (und in Reserve

gehaltene) Membranfläche durch die Wahl des Verfah-

rens bestimmt wird (Wahl kleinerer Trennflächen führt

im Allgemeinen zu größeren Energie- und Reinigungskos-

ten; siehe dazu auch Abbildung A-13). Bei getauchten

Modulen sind größere Membranflächen vorzuhalten als

bei trocken aufgestellten, da der Fluss [l/(m2�h)] geringer

ist.

Während bei Belebungs- und Nachklärbecken die spezifi-

schen Kosten mit steigender Anlagengröße nur degressiv

ansteigen, steigen die Kosten für die Filtrationseinheit der

Membranverfahren hingegen nahezu linear (Kosten pro

Modul).

Häufig ist der Flächenbedarf ein entscheidendes Krite-

rium für die Überprüfung des Einsatzes einer Membran-

belebungsanlage. Durch die Reduktion der erforderlichen

Belebungsbeckengröße auf ca. die Hälfte bis ein Viertel

gegenüber einer konventionellen Belebungsanlage und

den Wegfall der Nachklärung können der Flächenbedarf

und damit die Kapitalkosten stark reduziert werden.

Gegenüber der Flächeneinsparung bei der Belebung darf

allerdings nicht außer Acht gelassen werden, dass fall-

weise Fläche für Misch- und Ausgleichsbecken und gege-

benenfalls für Reinigungsbecken benötigt wird.

313

AnhangA

A.5.12.3

Betriebskosten

Energiekosten

Die Erzeugung einer Überströmung über die Membran

trägt wesentlich zum spezifischen Energiebedarf der

Membranfiltrationsanlagen bei. Ziel zahlreicher Verfah-

rensentwicklungen ist die Minimierung der Energie durch

Reduzierung der Energiemenge für die Deckschichtkon-

trolle (Überströmung der Membran) bei gleichzeitiger Auf-

rechterhaltung hoher Flussleistungen zur Minimierung

der notwendigen Membranfläche (Beispiele: drehende

Module, pendelnde Module usw.).

Die Erzeugung einer Crossflow-Strömung bei getauchten

Systemen benötigt im Vergleich zu trocken aufgestellten

Membranmodulen weniger Energie; ca. 0,5 bis 1,5kWh/m3

werden für die Deckschichtkontrolle bei getauchten und

1 bis 4 kWh/m3 für die trocken aufgestellten Anlagen

genannt.

Reinigungskosten

Die Art der Reinigung und die Reinigungsintervalle hän-

gen stark von der Abwasserqualität, aber auch von der

Art der Membran und der Module ab. Insofern können

auch keine verallgemeinerbaren spezifischen Kosten

angegeben werden. Außer den benötigten Chemikalien

inklusive deren Lagerung, sind insbesondere auch die

Personalkosten, gegebenenfalls die Energiekosten zur Auf-

heizung der Reinigungslösungen und gegebenenfalls

auch die Entsorgungskosten zu berücksichtigen. Je nach

Art der Reinigung, können auch zusätzliche Investitionen

für separate Reinigungsbecken inklusive der notwendigen

Hebe- und Transporteinrichtungen oder spezielle chemi-

kalienbeständige Beschichtungen der Filtrationsbecken

anfallen.

Membranersatz- und Membranentsorgungskosten

Die Lebensdauer der Membranen hängt von verschiede-

nen Faktoren ab, wie z. B.:

• Art des Abwassers

• Art und Häufigkeit der Reinigung

Generelle Standzeiten und pauschalisierte Entsorgungs-

kosten können nicht angegeben werden. Membranersatz-

und Membranentsorgungskosten sind jedoch zu berück-

sichtigen.

A.5.12.4

Kostenrelevante Faktoren im Vergleich

Folgende Faktoren verbessern die Wirtschaftlichkeit

gegenüber konventionellen Anlagen:

• hohe Zulaufkonzentrationen

• geringe Konzentration an Scaling und/oder Fouling

verursachenden Inhaltsstoffen

• hohe Grundstückskosten

• gleichmäßige hydraulische Belastung

• hohe Ansprüche an die Ablaufqualität

• Wiedereinsatz des gereinigten Abwassers

Membranbelebungsverfahren können im Vergleich zu

herkömmlichen Belebungsverfahren wirtschaftlicher sein,

wenn die Zulaufkonzentration hoch und der Volumen-

strom klein und insbesondere sehr gleichmäßig ist.

Ein Membranbelebungsverfahren wird sicherlich immer

dann in Betracht gezogen werden, wenn die Ansprüche

an die Ablaufqualität hoch sind oder ein Wiedereinsatz

des Wassers vorgesehen ist, beispielsweise als Betriebswas-

ser.

Wenn das Filtrat wieder eingesetzt werden kann, sind in

die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vermiedene Abwasser-

abgabe – für Indirekteinleiter vermiedene Abwasserge-

bühren – nach Abwassersatzung und vermiedene Frisch-

wasserkosten einzubeziehen.

314

Abfallbehandlung ≥ 1 ≥ 1 – 140

Automobil ≥ 1 ≥ 1 – 230

Chemie ≥ 15 ≥ 7 ≥ 8 50 – 1.400

Deponie Hausmüll ≥ 48 ≥ 9 ≥ 39 10 – 900

Druckerei ≥ 1 – ≥ 1 25

Grundwassersanierung ≥ 1 – ≥ 1 20

Kosmetik ≥ 3 ≥ 3 - 120 – 700

Laborwasser ≥ 1 – ≥ 1 10

Lebensmittel ≥ 9 ≥ 4 ≥ 5 100 – 480

Lederherstellung/Gerberei ≥ 5 ≥ 3 ≥ 2 30 – 820

Mälzerei ≥ 1 ≥ 1 ≥ 1 100

Pharma ≥ 15 ≥ 14 ≥ 1 50 – 1.500

Schiffsabwässer ≥ 15 ≥ 5 ≥ 10 4 – 740

Tankreinigung ≥ 1 ≥ 1 – 200

Textil ≥ 5 ≥ 3 ≥ 2 100 – 1.500

Tierkörperverwertung ≥ 4 ≥ 3 ≥ 1 427 – 960

Wäscherei ≥ 5 ≥ 1 ≥ 4 30 – 820

Anhang A

315

A.5.13

Beispiele im Bereich Industrieabwasser (Europa)

Ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind in der Tabelle

A-5 beispielhafte Anwendungen aus dem westeuropäischen

Raum aufgelistet. Die Beispiele entstammen den Referenz-

listen der Hersteller und Anlagenbauer, ergänzt durch

Kenntnisse der Arbeitsgruppenmitglieder. In zahlreichen

weiteren Branchen wurden und werden Versuchsanlagen

betrieben.

Ein Literaturverzeichnis des Anhangs A.5 finden Sie auf

den Seiten 316 – 317.

Branche/Anwendung Anzahl gesamt Anzahl getaucht Anzahl trocken Durchsatz m3/d

Tab. A-5

Membrananlagen in der westeuropäischen Industrie

AnhangA

A.5.14

Literaturverzeichnis

Baumgarten, G. (1998): Behandlung von Deponiesicker-

wasser mit Membranverfahren – Umkehrosmose, Nano-

filtration – Veröffentlichungen des Institutes für Sied-

lungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität

Hannover, Heft 99.

Brockmann, M. (1998): Beitrag zur membranunterstützten

biologischen Abwasserreinigung. Veröffentlichungen des

Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik,

Universität Hannover, Heft 98.

Cornel, P. (2000): Membranbelebung: biologische Ab-

wasserreinigung ohne Anfall von Überschussschlamm?

61. Darmstädter Seminar Abwassertechnik, Schriftenreihe

WAR, Bd. 128.

Diverse Autoren (1997, 1998, 2000, 2001): Membran-

technik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehand-

lung, Begleitbücher zur 1. bis 4. Aachener Tagung Sied-

lungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, IVT der

RWTH Aachen.

Diverse Autoren: Preprints zum 1. bis 8. Aachener Mem-

bran Kolloquium, GVT, VDI-GVC Düsseldorf und IVT,

Aachen.

Flemming, H.- C. (1995): Biofouling bei Membran-

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Anhang A

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von Sauerstoffbedarf und Überschussschlammanfall für

die Membranbelebung auf Basis des ATV-DVWK-A 131

(2000); KA (49) Nr. 5, Mai 2002.

317

AnhangA

A.6

2. Arbeitsbericht des DWA Fachausschusses KA-7

„Membranbelebungsverfahren“ vom 19.01.2005

Der vorliegende zweite Arbeitsbericht wurde von dem

DWA-Fachausschuss KA-7 „Membranbelebungsverfahren“

erarbeitet. Diesem Fachausschuss gehören folgende

Personen an:

Dipl.-Ing. Eberhard Back, Ulm

Dipl.-Biol. Evelyn Brands, Düren

Dr.-Ing. Elmar Dorgeloh, Aachen

Dipl.-Ing. Kinga Drensla, Bergheim

Prof. Dr.-Ing. Franz-Bernd Frechen, Kassel (Obmann)

Dr.-Ing. Werner Fuchs, Tulln

Dipl.-Ing. Regina Gnirß, Berlin

Dipl.-Ing. Karl-Heinz Greil, Kundl

Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Rosenwinkel, Hannover

Dr.-Ing. Wernfried Schier, Kassel

Prof. Dr. rer. nat. Dirk Schoenen, Bonn

Dipl.-Chem. Simone Stein, Leipzig

Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen, Gießen

Dipl.-Ing. Helle van der Roest, Amersfort

Dr.-Ing. Klaus Voßenkaul, Aachen

Dipl.-Ing. Detlef Wedi, Braunschweig

Dipl.-Ing. Thomas Wozniak, Gummersbach

Dipl.-Ing. Petra Zastrow, Merseburg

und Gäste.

A.6.1

Einführung

Seit dem 1. Arbeitsbericht Membranbelebungsverfahren

[ATV-DVWK, 2000b] haben sich durch Betriebserfahrungen

mit großtechnischen Anlagen und Forschungsprojekte

die Erkenntnisse vertieft. Der vorliegende 2. Arbeitsbe-

richt greift die Inhalte des ersten auf, ergänzt diese und

beschreibt die Erkenntnisse aus dem Betrieb der groß-

technischen Anlagen. Bemessungsparameter wie der

Sauerstoffeintrag können nun mit Daten aus der Groß-

technik präzisiert werden. Behandelt werden die Themen:

• Vorbehandlung des Rohabwassers

• Chemische Reinigung

• Schlammbehandlung

• Energieverbrauch

• Inbetriebnahme

• Membranbelebungsverfahren zur Kläranlagen-

ertüchtigung

• Orientierende Kostenangaben für Membran-

belebungsanlagen

Zu beachten ist, dass die Membrantechnologie sich der-

zeit insbesondere in dem hier betrachteten Bereich der

kommunalen Anwendung mit einem erheblichen Tempo

weiterentwickelt, was sich nicht zuletzt in einer hohen

Frequenz an Sitzungen des Fachausschusses ablesen lässt.

Daher wird auch der Inhalt dieses zweiten Arbeitsberich-

tes in einigen Punkten sicher recht bald durch neue

Erkenntnisse ergänzt worden sein.

Als nächstes Schriftstück des Fachausschusses wird nun

ein Merkblatt erstellt, welches voraussichtlich in 2006

erscheinen wird.

318

Anhang A

A.6.2

Beschreibung des Membranbelebungsverfahrens

Prinzip

Die Kombination aus einem Belebungsbecken und einer

Membranfiltration zur Abtrennung des belebten Schlam-

mes wird als Membranbelebungsverfahren bezeichnet.

Die Membranfiltration übernimmt anstelle der konven-

tionellen Nachklärung die Abtrennung des belebten

Schlammes. Während in den Nachklärbecken nur der

Anteil vom belebten Schlamm abgeschieden werden

kann, der auch sedimentiert, d. h. absetzbare Flocken bil-

det, werden bei der Membranfiltration alle Anteile des

belebten Schlammes abgeschieden, die größer als die

Trenngrenze der Membran sind. Dadurch wird die

Abtrennung des belebten Schlammes vom gereinigten

Abwasser unabhängig von den Sedimentationseigen-

schaften des belebten Schlammes und ist nur von der

eingesetzten Membran abhängig.

Um den belebten Schlamm mit seinen Mikroorganismen

und Partikeln vom gereinigten Abwasser abzutrennen,

werden beim Membranbelebungsverfahren üblicherweise

Mikrofiltrationsmembranen mit einer Trenngrenze von

maximal 0,4 µm eingesetzt.

Hinsichtlich der Anordnung der Module lassen sich beim

Membranbelebungsverfahren zwei Varianten unterschei-

den.

• Membranbelebungsverfahren mit trocken

aufgestellter Membranfiltration

Die Membranfiltration wird im Anschluss an das Bele-

bungsbecken in einer externen geschlossenen Filtrations-

einheit durchgeführt. Die Module (z. B. Rohrmodule) sind

trocken aufgestellt (siehe Abbildung A-14). Der belebte

Schlamm wird hindurchgepumpt, wodurch bei diesem

Verfahren auch höhere Drücke (über 1 bar) möglich sind.

Diese externe Membranfiltration ist bisher auf kommu-

nalen Anlagen noch nicht zu finden und ist daher auch

noch nicht Gegenstand dieses Arbeitsberichtes. Informa-

tionen finden sich in Arbeitsbericht IG 5.5 Teil 2 [ATV-

DVWK, 2002].

319

Zulauf Permeat

Belebungsbecken

Überschuss-schlammKonzentrat (Rücklaufschlamm)

trocken aufgestellteMembranfiltration

Abb. A-14

Trocken aufgestellte Membranfiltration

AnhangA

• Membranbelebungsverfahren mit getauchter

Membranfiltration

Bei dieser Variante befinden sich die Membranmodule im

Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch. Die Membranmodule

können entweder im Belebungsbecken selbst oder in einem

separaten Filtrationsbecken untergebracht sein. Abbildung

A-15 zeigt beide Einbaumöglichkeiten.

Für die Funktion des Membranbelebungsverfahrens sind

folgende Grundvoraussetzungen zu erfüllen:

• Sauerstoffversorgung des belebten Schlammes,

• Umwälzung und Durchmischung des Belebungs-

beckens,

• transmembrane Druckdifferenz als Triebkraft für den

Filtrationsvorgang,

• Kontrolle der Deckschichtbildung.

Bei der getauchten Anordnung wird die zur Deckschicht-

kontrolle erforderliche Überströmung üblicherweise durch

grobblasige Belüftung erzeugt. Hierzu ist ein entsprech-

endes Gebläse mit Luftzufuhreinrichtungen unter den

getauchten Membranmodulen sowie eine geeignete Strö-

mungsführung zur Erzeugung der Überströmung erforder-

lich. Neben der Modulbelüftung ist üblicherweise auch

eine separate Belüftung im Belebungsbecken notwendig.

Die transmembrane Druckdifferenz kann durch eine Per-

meatpumpe oder hydrostatisch erzeugt werden. Grund-

sätzlich ist ein möglichst niedriger Transmembrandruck

im laufenden Betrieb günstig.

320

Zulauf Permeat

Belebungsbecken

Überschuss-schlamm

Crossflow-Belüftung

Membranfiltration

Zulauf Permeat

Belebungsbecken

Filtrations-becken

Crossflow-Belüftung

Membranfiltration

Überschussschlamm

Konzentrat(Rücklaufschlamm)

A) getauchte Membranfiltrationim Belebungsbecken

B) getauchte Membranfiltrationim separaten Filtrationsbecken

Abb. A-15

Einbaumöglichkeiten einer getauchten Membranfiltration

Anhang A

Bauformen und Betriebsweisen

Beim Membranbelebungsverfahren werden bisher in der

Großtechnik

• Plattenmembrane und

• Hohlfasermembrane

verwendet. Membrane werden modular in verschiedenen

Bauformen eingesetzt.

Plattenmodule werden aus parallel angeordneten Mem-

branplatten konfektioniert. Diese bestehen aus einer Stütz-

platte mit Drainageeinrichtung, auf die die Flachmembran

meist beidseitig aufgebracht ist. Die Flachmembranen wer-

den von dem Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch überströmt

und die Filtration erfolgt von außen nach innen. Der Per-

meatabzug aus dem Inneren der Platte erfolgt durch eine

Absaugleitung.

Hohlfasermodule bestehen aus Membran-Hohlfasern,

die mit einem innenliegenden Stützgewebe verstärkt sein

können. Die Filtration erfolgt von außen nach innen. Für

ein Modul wird eine größere Anzahl von Fasern zu einem

Bündel zusammengefasst und an einem oder beiden

Enden eingeharzt und an eine Permeatsammelleitung

angeschlossen. Die Hohlfasermembranen werden je nach

Anbieter in horizontaler oder vertikaler Ausrichtung in

das Modul eingebaut.

Die Modulbelüftung ist zumeist in das Modul integriert.

Weitere Modulbauweisen befinden sich in einem unter-

schiedlichen Erprobungsstadium.

321

Permeat

Modulbelüftung

A) Plattenmodul

Flachmembranauf Stützplatte

Modulbelüftung

flexibleHohlfasermembran

untereEinharzung

obereEinharzung

(anbieterabhängig)

Permeat PermeatseitlicheEinharzungen

vertikal ausgerichtet horizontal ausgerichtet

B) Hohlfasermodul

Abb. A-16

Beispielhafte schematische Darstellung verschiedener Module

AnhangA

Membranmodule werden diskontinuierlich betrieben. In

Abhängigkeit von der Modulkonstruktion werden zur

Minimierung der Deckschicht periodische Filtrationspau-

sen oder eine Rückspülung mit Permeat eingesetzt. Des-

wegen müssen Brutto- und Nettopermeatfluss voneinan-

der unterschieden werden (siehe Abbildung A-17).

Zur weitgehenden Regeneration der Module und zur Ent-

fernung von Membranfouling ist eine zusätzliche chemi-

sche Reinigung erforderlich (siehe Kapitel A.6.5).

Zur Anpassung der Filtrationsleistung an die Zuflussgan-

glinie kommen prinzipiell zwei Betriebsweisen in Frage:

• Der Permeatfluss aller Module wird gleichermaßen

verändert.

• Es werden so viele Module abgeschaltet, dass die noch

in Betrieb befindlichen Module mit dem für den Dauer-

betrieb zulässigen Fluss arbeiten. Es ist auf eine gleich-

mäßige Betriebszeit der einzelnen Module zu achten.

Diese Betriebsweise stellt zudem sicher, dass für die ein-

zelnen Module ausreichende Erholungsphasen (Phasen

ohne Betrieb) eingehalten werden. Diese Betriebsweise

ist i. d. R. energetisch sinnvoller als die erstgenannte.

322

Pause

Perm

eatv

olu

men

Zeit

Netto

flux

Filtration

Zyklus

Brut

toflu

xRückspülung

Perm

eatv

olu

men

Zeit

Netto

flux

Filtration

Zyklus

Brut

toflu

x

Abb. A-17

Übliche Betriebsweisen der Membranmodule

Anhang A

Leistungsfähigkeit des Membranbelebungsverfahrens

Die Vorteile des Membranbelebungsverfahrens resultieren

aus den möglichen höheren Trockensubstanzgehalten im

Belebungsbecken und der vollständigen Abtrennung aller

Feststoffe durch die Membranen. Hierdurch ergibt sich

eine verbesserte Elimination von Nährstoffen und Mikro-

organismen. Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff sind

daher im Ablauf von Membranbelebungsanlagen um den

Anteil reduziert, der bei konventionellen Anlagen aus

Feststoffen stammt.

Membranfilter halten Mikroorganismen in einem sehr

hohen Maße zurück. Im Permeat werden die hygienischen

Anforderungen der EU-Badegewässerrichtlinie 76/160/EWG

(Rat der EG 1976) hinsichtlich der mikrobiologischen

Parameter gesamtcoliforme Bakterien, fäkalcoliforme Bakte-

rien und Streptokokken eingehalten. Untersuchungen auf

der KA Rödingen und der KA Markranstädt in den ersten

Betriebsmonaten (im Jahr 2000) zeigten, dass die Konzen-

tration aller in der EU-Badegewässerrichtlinie genannten

Mikroorganismen unabhängig von den Witterungsbedin-

gungen (Trockenwetter, Starkregen, Dauerregen) bis auf

Werte nahe der Nachweisgrenze vermindert werden

konnten. Dabei wurden ausnahmslos die Grenz- und

Leitwerte der EU-Badegewässerrichtlinie unterschritten.

Untersuchungen auf der KA Rödingen nach einigen

Betriebsjahren (in den Jahren 2002 und 2003) zeigen die

Keimreduktion weiterhin auf einem zwar hohen Niveau,

deuten jedoch an, dass mit zunehmender Betriebszeit

möglicherweise mit einer Verringerung der Eliminations-

rate zu rechnen ist. Dieser Aspekt muss weiterhin unter-

sucht werden.

Auch Viren, die kleinsten Krankheitserreger, die theore-

tisch durch die Membranporen hindurchtreten können,

werden im Membranbelebungsverfahren zurückgehalten.

Die Viren lagern sich typischerweise an Partikel und

Mikroorganismen an, so dass sie durch die Elimination

größerer Partikel auch aus dem Abwasser entfernt werden.

In den vorstehend genannten Untersuchungen konnten

die Konzentrationen an Darmviren deutlich verringert

werden. Eine sichere Einhaltung der Grenzwerte der EU-

Badegewässerrichtlinie kann jedoch nicht gewährleistet

werden.

Voraussetzung für das hohe Rückhaltevermögen der

Membranbelebungsanlagen gegenüber den Krankheitser-

regern ist, dass keine Kurzschlüsse zwischen gereinigtem

und nicht gereinigtem Abwasser bestehen und die Mem-

bran und Anschlüsse stets dicht sind. Diese Forderung

scheint trivial, in der Praxis sind aber entsprechende

Kontrollen erforderlich.

Die Elimination von Mikroschadstoffen, z. B. Arzneimit-

tel-Reststoffe und endokrin wirksame Substanzen, setzt

biologische Prozesse oder Adsorption an den Schlamm

voraus, da die beim Membranbelebungsverfahren einge-

setzten Membranen keinen Rückhalt von gelösten Sub-

stanzen bieten.

A.6.3

Hinweise zur Planung und Bemessung

Vorbehandlung des Rohabwassers

Die ausreichende Vorbehandlung des Abwassers ist eine

grundlegende Voraussetzung für den Betrieb von Mem-

branbelebungsanlagen. Insbesondere Haare und Fette

können zu Verzopfungen an den Modulen führen und

erhebliche Betriebsprobleme verursachen. Ein Sand- und

Fettfang ist prinzipiell notwendig.

Die Grobstoffentnahme kann ein- oder zweistufig ausge-

führt werden. Rechen mit bisher üblichen Stabweiten

sind als alleinige Grobstoffentnahme nicht ausreichend.

Daher sind Rechen entweder mit Sieben oder mit einer

Vorklärung zu kombinieren.

Siebe sollten eine Durchgangsweite ≤3 mm aufweisen

und sind vorzugsweise mit Strömungsumlenkung auszu-

führen. Die Durchgangsweite von Sieben sollte unter

Berücksichtigung folgender Randbedingungen gewählt

werden:

• Art des Entwässerungssystems (Misch- oder Trennsy-

stem, Regenbeckenentleerung und -reinigung, etc.),

• Empfindlichkeit der Membranmodulkonstruktion

bezüglich faseriger Inhaltsstoffe,

• sonstige Vorbehandlungseinrichtungen, insbesondere

die Durchgangsweite des Rechens, sofern vorhanden.

323

AnhangA

Daher können auch Siebdurchgangsweiten ≤ 1 mm erfor-

derlich sein.

Sollte eine Vorklärung anstelle eines Siebes genutzt werden,

so sind besondere Vorkehrungen nötig, um das Übertreten

von Schwimmstoffen in die Belebungsstufe zu verhindern.

Erfahrungen zeigen, dass eine als sog. Grobentschlammung

ausgeführte Vorklärung nicht ausreicht, um Störstoffe

effektiv zurückzuhalten.

Um die Membran effektiv vor Grobstoffen zu schützen,

wird nachdrücklich empfohlen, Rechen und Siebe redun-

dant auszuführen und keine der mechanischen Reini-

gungsstufen mit einem Notumlauf auszustatten.

Bemessung und Konstruktion

Die Ermittlung von Bemessungsdaten für die biologische

Reinigung in einer Membranbelebungsanlage ist entspre-

chend der Vorgehensweise für konventionelle Abwasser-

reinigungsanlagen aus dem Arbeitsblatt A 198 [ATV-

DVWK, 2003] durchzuführen. Im Wesentlichen sind für

den maßgebenden Belastungszeitraum die Frachten, die

Zuflüsse sowie die Abwassertemperaturen zu ermitteln.

Die Berechnung der Größe der Belebungsbecken kann

nach dem ATV-DVWK Arbeitsblatt A 131 [ATV-DVWK,

2000a] erfolgen, wobei zur Ermittlung der Volumina ein

erhöhter Feststoffgehalt anzusetzen ist, der in der derzei-

tigen Praxis nicht größer als 12 g/l gewählt wird. Gegebe-

nenfalls vorhandene Filtrationsbecken können zum Volu-

men VBB hinzugezählt werden abzüglich des durch die

Einbauten verdrängten Volumens. Bei den anzusetzenden

Lastfällen sind Stillstandszeiten von Filtrationsbecken zu

berücksichtigen.

Membranbelebungsanlagen haben gegenüber üblichen

Belebungsanlagen (Belebungs- und Nachklärbecken) ein

deutlich geringeres Gesamtvolumen, was bei Stoßbelas-

tungen aus hydraulischer Gründen zu erhöhten Konzen-

trationsspitzen im Ablauf führt.

Bisherige Erfahrungen aus dem Betrieb von Versuchs-

und Großanlagen legen den Schluß nahe, dass nicht

abgebaute Komponenten des Abwassers in den Membra-

nen ein Foulingproblem verursachen und dadurch die

Permeabilitätsabnahme beschleunigen. Daher wird emp-

fohlen, dass das Abwasser erst nach einer für den biologi-

schen Abbau der Abwasserinhaltsstoffe ausreichenden

Zeit an die Membran geführt wird. Dies kann durch ent-

sprechende hydraulische Gestaltung der Beckenvolumina

(Kaskadierung, Pfropfenströmung) erfolgen. Kurzschluss-

Strömungen des Abwassers hin zu den Membranmodulen

sind auf jeden Fall zu vermeiden.

Die Separierung der Membranstufe in einem Filtrations-

becken ist in der Regel auch von Vorteil für die Handhab-

barkeit bei Reinigungs- und Wartungsarbeiten.

Um eine zu hohe Aufkonzentrierung des belebten Schlam-

mes in separaten Filtrationsbecken zu verhindern, ist ein

ausreichend großer Rücklaufschlammvolumenstrom vom

Filtrationsbecken zurück in das Belebungsbecken einzu-

stellen. Der maximale Feststoffgehalt an der Membran

kann je nach System bis zu 18 g/l betragen. Der erforder-

liche Rücklaufschlammvolumenstrom errechnet sich aus

den Feststoffgehalten im Belebungsbecken und im voll

durchmischten Filtrationsbecken. Auf eine gleichmäßige

Durchmischung des Filtrationsbeckens ist zu achten, um

Ablagerungen zu vermeiden und eine optimale Mem-

branfunktion zu gewährleisten.

Das der Kläranlage zufließende Abwasser muss jederzeit

durch die zur Verfügung stehende Membranfläche fil-

trierbar sein. Bemessungsgrundlage für die Membranflä-

che ist daher der Mischwasserzufluß QM bei der niedrig-

sten Temperatur im Jahresverlauf, da der Permeatfluss

temperaturabhängig ist. Abweichend von dem A 198

[ATV-DVWK, 2003] sind Tagesmittelwerte der Abwasser-

temperatur maßgebend.

Der Netto-Permeatfluss ausgelegter Anlagen (Auslegungs-

fluss im Dauerbetrieb) als Quotient des Mischwasserzuflusses

QM und der installierten Membranfläche AM liegt je nach

Modulart bei 8 l/(m2 �h) bis 30 l/(m2 �h). Bei der Ausle-

gung sind erforderliche Außerbetriebnahmen wegen chemi-

scher Reinigung, Störfälle, Modulwechsel, etc. zu berück-

sichtigen. Für die Dauer solcher Außerbetriebnahmen muss

die verbleibende Membranfläche in der Lage sein, den

maximalem Abwasserzufluss QM zu filtrieren. Je nach

Membransystem besteht die Möglichkeit zeitlich begrenzt

erheblich höhere Netto-Permeatflüsse zu erreichen.

324

Membranmaterial PVDF, mod. PVC,

PES, PAN oder PE1)

pH-Beständigkeit 2 – 11

Filterfläche pro Modul m2 240 – max 2.880

Netto-Permeatfluss (QM/AM) l/(m2 �h) 8 – 30

Permeabilität l/(m2�h�bar) 100 – 400

maximaler Arbeitsdruck mbar 300 – 400

mittlerer Arbeitsdruck mbar 20 – 200

„Foot-Print“ (Module im eingebauten Zustand) m2/m2 70 – 165

(Filterfläche pro Grundfläche Becken)

Packungsdichte (Module im eingebauten Zustand) m2/m3 40 – 100

(Filterfläche pro Modulvolumen)

Einblastiefe Modul-Belüftung m 1,5 – 5,5

Energiebedarf Modul-Belüftung2) kWh/m3ZUFLUSS 0,25 – 0,80

Energiebedarf Permeatpumpe kWh/m3ZUFLUSS 0,06 – 0,07

Anhang A

Zum Abfangen von hydraulischen Spitzen kann alterna-

tiv zur Vorhaltung von Membranfläche auch ein Puffer

in Form vorgeschalteter Becken, Stauräume oder als vari-

ables Niveau im Belebungsbecken sinnvoll sein.

Aus den Herstellerdaten und bisher auswertbaren Betriebs-

ergebnissen wurde Tabelle A-6 mit orientierenden Daten

zu Membransystemen zusammengestellt [WEDI 2002a].

Mit dem Fortschritt der Erkenntnisse und der Modulent-

wicklung unterliegen auch die Daten der Veränderung.

Übliche Zykluszeiten liegen im Bereich von Minuten. Es

gibt jedoch auch Anlagen, bei denen über mehrere Stun-

den kontinuierlich filtriert wird.

Angaben zur Standzeit (Jahre bis zum Austausch der

Membranen) können noch nicht getroffen werden.

Sauerstoffeintrag

Generell muss bei Membranbelebungsanlagen zwischen

der eher grobblasigen Belüftung der Module und der

meist feinblasigen Belüftung in den Belebungsbecken –

also der für die biologischen Vorgänge erforderlichen

Belüftung – unterschieden werden. Bei der Bemessung

der Belebungsbecken ist zu beachten, dass der für den

Lufteintrag in das Belebungsbecken anzusetzende �-Wert

aufgrund des höheren TS-Gehaltes des Schlammes deut-

lich geringer anzusetzen ist.

Die Abnahme des �-Wertes als Folge erhöhter Feststoff-

konzentrationen ist in allen Untersuchungen tendenziell

gleich.

325

Tab. A-6

Kenndaten ausgelegter Membranbelebungsanlagen [WEDI 2002a]

Nennporenweite µm < 0,1 – 0,4

1) PVDF: Polyvinylidenfluorid; PVC: Polyvinylchlorid; PES: Polyethersulfon; PAN: Polyacrylnitril; PE: Polyethylen

2) je nach Betriebsweise der Module

AnhangA

Der �-Wert hängt auch von anderen Einflussfaktoren ab.

Neben den konkret eingesetzten Belüftersystemen existie-

ren auch Abhängigkeiten von der Messmethode (Messun-

gen mit oder ohne Abwasserzufluss), vom Salzgehalt, der

Tensidkonzentration sowie vom spezifischen Luftvolumen-

strom oder der Durchströmung im Becken. Messungen aus

Rödingen legen nahe, dass sich auch die Eigenschaften

des belebten Schlammes bzw. biogen erzeugte und evtl.

zurückgehaltene Substanzen beim Membranbelebungs-

verfahren (z. B. EPS) auf den Sauerstoffeintrag auswirken.

Es wird empfohlen, bei der Auslegung feinblasiger Druck-

belüftungsanlagen beim Membranbelebungsverfahren

einen gegenüber konventionellen Belebtschlammanlagen

reduzierten �-Wert von 0,5 für den üblichen Feststoffge-

halt von 10 g/l bis 12 g/l zu verwenden. Liegen Kennt-

nisse über bereits bei niedrigeren TS-Konzentrationen

reduzierte �-Werte vor, sollte eine entsprechende Abmin-

derung vorgenommen werden.

Wird die Crossflow-Belüftung der Membranen bemessungs-

seitig zur Deckung des Sauerstoffbedarfes mit berücksich-

tigt, so ist dies durch den Planer unter Berücksichtigung

der Einbausituation sowie der Lastfälle gesondert nachzu-

weisen. Je nach Anordnung der Membranen im System

kann dieser Sauerstoffeintrag zur Betriebskostenreduzierung

angesetzt werden. Für die Installation der Membranen in

den Nitrifikationsbecken wird von KRAUSE/CORNEL [2003]

eine mittlere Energieeinsparung in Höhe von 15 %

genannt. Werden die Membranen in separaten Filtrations-

kammern angeordnet, ist der energetische Vorteil geringer.

Auf jeden Fall aber sind die Hinweise in Abschnitt A.6.3

zur Reaktorform und zum Verweilzeitverhalten zu beach-

ten.

326

1,00

0,75

0,50

0,25

0

alp

ha

0 201510 25

TS in g/l

5

Beverwijk

Arbeitsbericht KA-7, nur Versuchsanlagen (2000)

Markranstädt/Cornel et al. (2001)Rödingen/Cornel et al. (2001)

Rödingen/Wagner, Krause (2003)

Abb. A-18

Einfluss der Feststoffkonzentrationen auf den �-Wert für feinblasige Druckbelüftungsanlagen

Anhang A

Stickstoffelimination

Die Bemessung für Stickstoffelimination erfolgt nach

dem ATV-DVWK-Arbeitsblatt-A 131 [ATV-DVWK, 2000a].

Mit dem aus dem separaten Filtrationsbecken oder aus

der Filtrationszone des Belebungsbeckens rückgeführten

Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch wird infolge der Modul-

belüftung insbesondere bei Mischwasserzufluss eine nicht

unerhebliche Menge an Sauerstoff mitgeführt. Dies ist bei

der Verfahrensführung zu beachten.

Phosphorelimination

Die Phosphorelimination kann beim Membranbelebungsver-

fahren durch eine Vorfällung in der Vorreinigungsstufe oder

durch eine Simultanfällung in der Belebungsstufe erfolgen.

Für eine Vorfällung können alle gängigen Fällmittel ein-

gesetzt werden. Hier besteht kein Unterschied zu einem

konventionellen Belebungsverfahren. Nachteil der Vorfäl-

lung ist ein wesentlich erhöhter Schlammanfall in der

Vorreinigung, der bei der Bemessung der Schlammbe-

handlung berücksichtigt werden muss.

In der Belebungsstufe kann die Phosphorelimination durch

chemische Simultanfällung oder durch eine vermehrte

biologische Phosphorelimination, in der Regel kombiniert

mit einer Simultanfällung, stattfinden. Beim Membranbe-

lebungsverfahren können deutlich niedrigere Ablaufkon-

zentrationen für Gesamtphosphor erreicht werden als bei

einem konventionellen Belebungsverfahren, da

• die partikulären Phosphorverbindungen vollständig

abgetrennt werden und

• ortho-Phosphat nicht in einem Nachklärbecken rück-

gelöst werden kann.

Je nach Fällmitteleinsatz sind bei der üblichen Membran-

reinigung die Reinigungsmittel anzupassen. Bisher wurden

keine Anzeichen für einen erhöhten Reinigungsaufwand

der Membrane durch den Einsatz von Fällmitteln festge-

stellt. Empfohlen wird eine räumliche Distanz zwischen

der Dosierstelle und den Membranmodulen. Generell

sind Zusätze in die Kläranlage, also auch Fällmittel, mit

den Membranherstellern abzustimmen.

Die vermehrte biologische P-Elimination in der Membran-

belebung wurde bisher nur im Rahmen von Forschung

und Entwicklung angewendet [GNIRß, 2003], [DICHTL

ET AL., 2004].

Überschussschlammproduktion

Die bislang übliche Bemessung einer Membranbele-

bungsanlage führt zu einem Schlammalter im Bereich der

simultanen aeroben Schlammstabilisierung. Grundsätzlich

ist somit davon auszugehen, dass sich die biologischen

Stoffumsätze in Membranbelebungsanlagen nicht wesent-

lich von denen in konventionellen Belebungsanlagen

unterscheiden [u. a. ROSENWINKEL/WAGNER, 2000]. Für

die Reinigung kommunaler Abwässer ist im Vergleich zu

konventionellen Systemen nicht von einer signifikanten

Reduktion der gebildeten Überschussschlämme auszugehen.

Nach GÜNDER [1999] kann, indem ein extrem hohes

Schlammalter eingestellt wird, die Überschussschlamm-

produktion minimiert werden. Die dafür notwendigen

BSB5-Schlammbelastungen von unter 0,01 kg/(kg �d)

sind jedoch i. d. R. nicht wirtschaftlich.

Die Ermittlung der Überschussschlammproduktion kann

in Anlehnung an das ATV-DVWK-A 131 und die ASM-

Modelle [HENZE ET AL. 1987, HENZE ET AL. 1999, GUJER

ET AL. 1999] erfolgen.

A.6.4

Schlammbehandlung

Allgemeines

Die Überschussschlämme aus den großtechnischen Mem-

branbelebungsanlagen Rödingen, Markranstädt und

Monheim werden in einem Stapelbehälter gelagert und

entweder periodisch zu einer Sammelstelle auf einem

zentralen Klärwerk zur gemeinschaftlichen Behandlung

mit Schlämmen aus konventionellen Anlagen gebracht

oder zurzeit noch landwirtschaftlich verwertet. Daher lie-

gen bisher in Deutschland keine Betriebserfahrungen aus

großtechnischen Schlammbehandlungsanlagen vor.

327

AnhangA

Die Schlämme der großtechnischen Anlagen, insbesondere

der Kläranlage Rödingen, sind umfangreichen Untersu-

chungen unterzogen worden, die nachfolgend erläutert

werden.

Entwässerbarkeit

Schlämme aus Membranbelebungsanlagen besitzen in

der Regel eine geringe Flockengröße (rd. 50 µm, teilweise

nur 10 µm). Trotz der damit verbundenen Vergrößerung

der spezifischen Flockenoberfläche wurde keine ver-

schlechterte Entwässerbarkeit festgestellt. Tabelle A-7

zeigt Kenndaten großtechnischer Untersuchungen.

In einem großtechnischen Versuch auf einer Hochleis-

tungszentrifuge wurde mit dem Schlamm aus der Kläran-

lage Rödingen ein TR von knapp 30 % erreicht. Laborver-

suche bestätigten diese Entwässerbarkeit mit Ergebnissen

von 27 % im Jahresmittel bei Maximalwerten bis zu 31 %

bei einem organischen Anteil des Schlammes von GV

61 % bis 48 %. Bei geringerem organischen Anteil ließ

sich der Schlamm besser entwässern. Hierbei lag der Poly-

merbedarf im Mittel mit 2,9 g WS/kg TR weit unter dem

Polymerbedarf von 15 untersuchten konventionellen

Belebtschlammanlagen mit aerober Schlammstabilisie-

rung, die im Durchschnitt 5,9 g WS/kg TR benötigten.

Insgesamt zeigen die bisherigen Untersuchungen, dass

der Flockungshilfsmittelbedarf vergleichbar dem Flockungs-

hilfsmittelbedarf konventioneller Anlagen ist oder sogar

geringer ausfallen kann.

Die vorliegenden Erfahrungen deuten an, dass im Ver-

gleich zu herkömmlichen Schlämmen nicht von einem

Mehraufwand zur Schlammentwässerung auszugehen ist.

Bei Einsatz von Siebanlagen in der mechanischen Vorrei-

nigung werden Strukturstoffe entnommen, wodurch die

Entwässerbarkeit beeinträchtigt werden kann.

Eine Sonderlösung wurde für die Kläranlage auf dem Sän-

tigsgipfel (Schweiz) gewählt [MÖRGELI 2001]. Hier wird

der Überschussschlamm in spezielle Säcke gefüllt. Das

Wasser tropft ab und der Schlamm kompaktiert. Danach

ist der Schlamm bereit für den Abtransport mit der Seil-

bahn. Mit dieser Methode wird ein TR von rd. 20 % er-

zielt. Das System ist mittlerweile auch auf der Kläranlage

Schwägalp realisiert worden.

Faulfähigkeit

Trotz der zumeist geringen Schlammbelastung, die der

einer simultan aeroben Stabilisierungsanlage gleicht bzw.

sie noch unterschreitet, variiert der organische Trocken-

substanzanteil der Überschussschlämme aus großtechni-

schen Anlagen und auch Pilotanlagen zwischen 46 % bis

hin zu 69 %. Dieser hohe organische Anteil war Anlass

für eine Überprüfung der Fäulnisfähigkeit bzw. das Rest-

gaspotenzial nach DIN 38 414 S8 [N. N. 1999].

Ein weiterer Anlass zur Prüfung der Fäulnisfähigkeit liegt

darin, dass das Membranbelebungsverfahren auch als

Ertüchtigungsvariante bei bestehenden Anlagen mit ana-

erober Schlammstabilisierung in Frage kommen kann.

328

Gerät/Methode Anlage TR des ÜS TR nach Entwässerung

GV des ÜS

Tab. A-7

Untersuchungen zur Entwässerbarkeit von Überschussschlämmen (ÜS) auf einer großtechnischen Zentrifuge

Zentrifuge Markranstädt 2,4 % TR 24,5 %

65 % GV

Rödingen 3,8 % TR 29,9 %

46 % GV

Monheim 1,0 % TR 28 %

54 % GV

Anhang A

In der Literatur werden für die Ausfaulung von Über-

schussschlamm 200 Normliter produzierten Gases pro kg

organischer Trockenmasse (NL/kg oTS) bis 300 NL/kg oTS

angegeben [BAHRS ET AL. 1994]. Die Überschussschlämme

aus den Membranbelebungsanlagen erreichen bei der

Untersuchung diesen Literaturwert.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Schlämme aus

den Membranbelebungsanlagen eine mit Schlamm aus

konventionellen Anlagen vergleichbare (Rest-) Gaspro-

duktion besitzen.

A.6.5

Chemische Reinigung der Membranmodule

Zum Erhalt bzw. zur Anhebung der Permeabilität und zur

Hygienisierung der Permeatleitungen ist von Zeit zu Zeit

eine chemische Reinigung der Membranen erforderlich.

Es gibt keine einheitliche Reinigungsempfehlung. Es findet

eine laufende Optimierung unter Berücksichtigung groß-

technischer Erfahrungen statt.

Oxidierende Chemikalien dienen der Entfernung von

organischen Belägen. Um AOX-Bildung zu vermeiden,

sollten möglichst chlorfreie Chemikalien angewendet

werden, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Die besten

Reinigungserfolge hat man jedoch bisher unabhängig

von der Membran mit Natriumhypochlorit-Lösung als

Oxidationsmittel erzielt.

Je nach Anforderung und insbesondere zur Entfernung

anorganischer Ablagerungen werden weitere Reinigungs-

schritte hinzugefügt. Hier ist der Einsatz folgender Che-

mikalien möglich: Zitronensäure, organische Peroxidver-

bindungen, Oxalsäure, Essigsäure, mineralische Säuren,

Tenside, Detergentien und herstellerspezifische Kombina-

tionsprodukte.

In der Regel findet eine zweistufige Reinigung mit einem

Oxidationsmittel und einer organischen Säure Anwendung.

Bei der Auswahl und Dosierung der Reinigungschemika-

lien muss darauf geachtet werden, dass die Membranen

durch die Reinigung möglichst wenig belastet werden.

Die Reinigung muss mit dem Hersteller abgestimmt werden.

Zurzeit werden folgende Reinigungsverfahren praktiziert:

• in-situ-Reinigung (im eingebauten Zustand)

• im belebten Schlamm:

Die Membranmodule verbleiben während der chemi-

schen Reinigung im eingetauchten Zustand im beleb-

ten Schlamm. Die Zugabe der Chemikalien erfolgt

über die Permeatseite. Die Menge der in den belebten

Schlamms übertretenden Reinigungsflüssigkeit ist in

starkem Maße abhängig vom Konzept des Reini-

gungsprozesses.

• in Reinigungslösung:

Der belebte Schlamm wird aus dem Becken gepumpt,

danach wird das Becken mit Reinigungschemikalien

gefüllt, bis die Module überstaut sind.

• an Luft:

Der belebte Schlamm wird in der Regel bis zur Modul-

unterkante abgesenkt. Die Membranmodule hängen

im eingebauten Zustand frei in der Luft. Die Zugabe

der Chemikalien erfolgt ebenfalls permeatseitig. Die

Einwirkzeit beträgt 5 bis 10 Minuten.

• externe Reinigung

Die Membranmodule werden aus dem Membranbele-

bungsbecken herausgezogen und in eine externe

„Waschzelle“ eingeführt.

Die in-situ-Reinigung in Reinigungslösung oder an Luft

eignet sich vor allem für Anlagen mit separaten Filtra-

tionsbecken.

Bisher unterscheidet man je nach Chemikalienkonzentra-

tion und Reinigungsintervall die Hauptreinigung und die

Zwischenreinigung.

Die Hauptreinigung ist in der Regel mindestens jährlich

erforderlich zur deutlichen Erhöhung der Permeabilität.

Sie kann beispielsweise mit hohen Oxidationsmittelkon-

zentrationen (z. B. NaOCl – 1.000 mg/l Cl oder H2O2

– 2.000 mg/l) und einer sauren Reinigung im Anschluss

(z. B. Zitronensäure) durchgeführt werden. Die Reinigungs-

zyklen sind dabei vorteilhafterweise so zu legen, dass die

329

AnhangA

maximale hydraulische Leistungsfähigkeit mit Beginn der

kalten Jahreszeit vorliegt.

Die Zwischenreinigung, typischerweise mit geringer Oxi-

dationsmittelkonzentration (z. B. NaOCl – 150 mg/l Cl),

soll der Vergrößerung der Hauptreinigungsintervalle die-

nen. Sie wird im Abstand von 2 bis 7 Tagen durchgeführt.

Damit eine Zwischenreinigung dauerhaft erfolgreich rea-

lisiert werden kann, ist es erforderlich, diese Reinigungs-

technik bereits in der ersten Betriebszeit bei einer relativ

verschmutzungsfreien Membrane einzusetzen. Die Zwi-

schenreinigung wird nicht bei allen Modulbauformen

angewendet.

Die in-situ-Reinigung kann als Hauptreinigung oder auch

als Zwischenreinigung verwendet werden. Die externe

Reinigung wird ausschließlich als Hauptreinigung einge-

setzt.

Der betriebliche Aufwand einer externen Reinigung ist

sehr hoch. Daher wird sie bei einigen Anlagen durch die

oben beschriebene in-situ-Reinigung ersetzt.

Wenn die Reinigung direkt in Reinigungslösung durchge-

führt wird, kann eine wesentlich bessere Wirkung erzielt

werden, da sie ohne Verdünnung durch belebten Schlamm

an der Membranoberfläche zur Wirkung kommen. Weiter-

hin besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur des

Reinigungswassers auf ca. 30 °C bis 35 °C zu erhöhen. Um

eine Verbesserung der Vermischung der eingesetzten Che-

mikalien im Waschbehälter zu erreichen, wird die Mem-

brane während der Reinigung zusätzlich belüftet.

In jedem Fall sollte der Betreiber eines Membranbelebungs-

verfahrens eine detaillierte Anleitung zur sachgerechten

Durchführung der Membranreinigung und zu den not-

wendigen Reinigungsintervallen vom Errichter der Anlage

bzw. dem Membranhersteller einfordern.

Bei der Planung von Membranbelebungsanlagen sind

entsprechend der ausgewählten Chemikalien geeignete

Lagerräume, Dosiereinrichtungen, geeignete Materialien

für Becken und Leitungen und der Arbeitsschutz zu

berücksichtigen [WEDI, 2002b].

Da bisher die Reinigungsprozeduren noch einer ständi-

gen Weiterentwicklung unterliegen und möglicherweise

für den Einzelfall optimiert werden müssen, sollten bei

der Ausführung des Chemikalienlagers und der Dosieran-

lagen möglichst viele Optionen unter Beachtung relevanter

sicherheitstechnischer Aspekte offen gehalten werden. In

Deutschland sind neben den Vorschriften gem. WHG je

nach Kombination der Chemikalien auch Aspekte u. a.

der Arbeitssicherheit, des Brandschutzes und des Immis-

sionsschutzes zu berücksichtigen. Insbesondere können

bzw. müssen Anwendung finden:

• Technische Regeln für Gefahrstoffe (TRGS),

speziell TRGS 515,

• Vorschriften und Merkblätter der Berufsgenossen-

schaften,

• Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV),

• Kennzeichnungen der Anlagen gem. Gefahrstoff-

Verordnung (GSV),

• ggf. Verordnung für brennbare Flüssigkeiten (VbF),

• ggf. VCI-Konzept zur gemeinsamen Lagerung von

Chemikalien, Festlegungen der Gefahrengruppen zur

Lagerung mit Festlegung der Gefahrengruppen,

• ggf. Löschwasser-Rückhalte-Richtlinie (LöRüRL),

• ggf. Dichtigkeitsprüfungen gem. DVGW,

• ggf. weitere landesspezifische Verordnungen.

Die Planung und Genehmigung der Anlagen sollte in Ab-

stimmung mit Behörden und Fachstellen wie z. B. den

Gewerbeaufsichtsämtern, dem TÜV oder arbeitsmedizini-

schen Diensten erfolgen.

A.6.6

Energiebedarf

Die laufenden Betriebskosten von Membranbelebungs-

anlagen werden neben dem Energiebedarf für den Sauer-

stoffeintrag zur biologischen Abwasserreinigung erheb-

lich vom Energiebedarf für die Crossflow-Belüftung

beeinflusst.

Diese wiederum ist abhängig vom spezifischen Belüftungs-

bedarf der eingesetzten Membran und der Eintauchtiefe

der entsprechenden Belüftungseinrichtungen. Für die

gegenwärtig eingesetzten Membranmodule schwanken

diese Werte in einem weiten Bereich für den spez. Luft-

330

Anhang A

bedarf von 0,2 Nm3/(m2�h) bis 0,45 Nm3/(m2�h) und

Eintauchtiefen von 2 Metern bis 5 Metern.

Die derzeitigen großtechnischen Betriebserfahrungen zei-

gen einen spezifischen Energiebedarf für die Crossflow-

Belüftung von ca. 0,25 kWh/m3ZUFLUSS bis 0,8 kWh/m3

ZUFLUSS

im Jahresmittel.

Die Einsparpotenziale liegen somit vor allem in der Ver-

ringerung des spezifischen Luftbedarfes und in der Erhö-

hung der Filtrationsleistung der Membranen (z. B. zu-

flussabhängiges Zu- und Abschalten einzelner Module).

Erfolgt der Permeatabzug mittels Pumpen, ist von einem

spezifischen Energiebedarf in Höhe von 50 W/m3 bis

70W/m3 auszugehen. Je nach Systemkonfiguration ist gege-

benenfalls die Rezirkulation des aufkonzentrierten belebten

Schlammes aus separaten Filtrationskammern mit ca. 15W/m3

bis 20 W/m3 zu berücksichtigen. Infolge des niedrigeren

�-Wertes steigt auch der Energieverbrauch für feinblasige

Belüftungsanlagen um den Faktor �konv./�Membran an.

Konkrete Daten zum Energiebedarf und dessen Aufteilung

liegen für die Membranbelebungsanlagen Markranstädt

und Monheim vor. Beide Anlagen sind mit Hohlfaser-

membranen ausgerüstet. Aus beiden Abbildungen wird

ersichtlich, dass der spezifische Energiebedarf umso ge-

ringer wird, je mehr sich der tatsächliche Abwasserdurch-

satz der Vollauslastung annähert.

Der spezifische Energiebedarf, bezogen auf den mittleren

Zufluss (ca. 43 % bzw. 35 % von Qmax) liegt für beide Anla-

gen im Bereich von 0,8kWh/m3 bis 0,9kWh/m3. Verglichen

mit konventionellen Belebungsanlagen mit einem durch-

schnittlichen spezifischen Energieverbrauch von 0,3kWh/m3

bis 0,5 kWh/m3 und zusätzlichen Erweiterungen für z. B.

Raumfiltrations- und Bestrahlungsanlagen mit zusammen

ca. 0,15 kWh/m3 bis 0,25 kWh/m3 ist der Energiebedarf

von Membranbelebungsanlagen noch erhöht. Zu beach-

ten ist bei diesem Vergleich, dass die Leistungsfähigkeit

der Membranbelebungsanlage insbesondere bezüglich der

hygienerelevanten Parameter, deutlich höher ist.

331

2,0

1,5

1,0

0,5

spez

. En

erg

ieve

rbra

uch

[kW

h/m

3 ]

0

Zufluss [m3/d]

5.0001.000 2.000 3.000 4.000

Mikrofiltration 500Aohne Air-Cycling(Jun-Jul 2001)

Mikrofiltration 500Aohne Air-Cycling(Jan-Nov 2002)

Mikrofiltration 500Cmit Air-Cycling(Jan-Jun 2003)

Abb. A-19

Spezifischer Energieverbrauch der KA Markranstädt [STEIN, KERKLIES 2003]

AnhangA

A.6.7

Ertüchtigung bestehender kommunaler Kläranlagen

Zukünftig wird sich der Schwerpunkt der erforderlichen

Investitionen in der Abwasserreinigung weg von Kläran-

lagenneubauten hin zu Sanierungs- und Ertüchtigungs-

maßnahmen in Kombination mit Erweiterungsvorhaben

verschieben. Auch für derartige Aufgabenstellungen kann

das Membranbelebungsverfahren eine verfahrenstech-

nisch und zunehmend auch wirtschaftlich sinnvolle

Lösungsvariante darstellen [SCHIER 2003]. Günstige Kon-

stellationen sind dort gegeben, wo im Zuge der anstehen-

den Kläranlagenertüchtigung entweder in erheblichem

Umfang neues Beckenvolumen geschaffen werden müs-

ste, wo Probleme infolge unzureichender Nachklärbe-

ckenleistungsfähigkeit bestehen, besonders aber dort, wo

beide Fragestellungen zu bearbeiten sind. Voraussetzung

ist, dass der bauliche Zustand der vorhandenen Belebungs-

und Nachklärbecken eine weitere Nutzung zulässt.

Bei Umstellung der Phasentrennung von Sedimentation

auf Membranfiltration bietet es sich an, das vorhandene

Nachklärbeckenvolumen als zusätzlichen Belebungsbe-

ckenraum zu nutzen. So kann oft nicht nur auf den Neu-

bau von Belebungsbecken verzichtet werden, sondern es

ergibt sich eine TSBB-Konzentration, die deutlich unter-

halb der ansonsten beim Membranbelebungsverfahren

üblichen TSBB-Konzentration liegt. Abhängig vom Grad

der Unterkapazität der existierenden Anlage ist dann bei

der Bemessung der TSBB-Konzentration neben dem zur

Verfügung stehenden Belebungsvolumen die Gewährleis-

tung des aeroben Schlammalters zu berücksichtigen. Meist

ergeben sich TSBB-Konzentrationen von 4 g/l bis 7 g/l

[FRECHEN, SCHIER, WETT 2001 und 2003]. Lässt sich

ein solches Konzept realisieren, könnten die üblichen

Nachteile von Membranbelebungsanlagen (Empfindlich-

keit gegenüber Stoßbelastungen, schlechter �-Wert) weit-

gehend kompensiert werden.

332

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

spez

. Str

om

verb

rauc

h [

kWh

/m3 ]

0

Zufluss [m3/d]

500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000

künftiger Median des Zuflusses, 35 % v. Qmax

Inbetriebnahme, nicht optimierter Betrieb im Juli/Aug 2003

min. Verbrauch Filtration

Abb. A-20

Spezifischer Energieverbrauch der KA Monheim [WEDI 2003]

Anhang A

Neben der ohnehin erhöhten Ablaufqualität des Permeats

sind weitere verfahrens- und ausbauspezifische Vorteile

dieses Ertüchtigungskonzeptes zu nennen:

• erhebliche biologische Reservekapazitäten bei späterem

Erweiterungsbedarf,

• sparsamer Umgang mit Platzresourcen.

Bislang wurde dieses Ertüchtigungskonzept großtech-

nisch noch nicht umgesetzt. In einem ersten Forschungs-

vorhaben wurden in halbtechnischen Versuchen verschie-

dene Membransysteme hinsichtlich der Betriebs- und

Bemessungsparameter untersucht [UNI KASSEL 2004].

Es wurde neben der generellen technischen Machbarkeit

und technischen Eignung des Membranbelebungsverfah-

rens zur Ertüchtigung der untersuchten Kläranlagen fest-

gestellt, dass bezüglich der hydraulischen Leistungsfähig-

keit die untersuchten Hohlfasersysteme Fluxraten erreich-

ten, die bei bzw. sogar leicht über den Betriebs- bzw.

Bemessungsfluxraten großtechnisch realisierter Anlagen

lagen. Danach kann für den Betrieb einer Membranbele-

bungsanlage mit verfahrensspezifisch niedrigen TSBB-Kon-

zentrationen nicht von einer verminderten hydrauli-

schen Leistungsfähigkeit ausgegangen werden. Soll von

einer erhöhten Leistung ausgegangen werden, so sind

Vorversuche anzuraten. Die Untersuchungen hierzu dau-

ern gegenwärtig noch an (Universität Kassel).

Ebenfalls ist die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, eine

Ertüchtigung bestehender Anlagen durch Teilstrombe-

handlung mit dem Membranbelebungsverfahren durch-

zuführen.

A.6.8

Hinweise zur Inbetriebnahme

Grundsätze

Bei der Inbetriebnahme einer Membranbelebungsanlage

gelten prinzipiell ähnliche Grundsätze wie bei konventio-

nellen Anlagen in Bezug auf die biologischen Eigenschaf-

ten und Reinigungsleistungen. Nachfolgend wird auf

einige spezifische Aspekte bei der Inbetriebnahme einer

Membranbelebungsanlage eingegangen.

Funktionstest

Membranbelebungsanlagen sind komplexe technische

Anlagen, bei denen es auf die Funktionsfähigkeit und das

Zusammenwirken der einzelnen Komponenten in beson-

derem Maße ankommt, um einen prozessstabilen Betrieb

dauerhaft gewährleisten zu können. Umfassende Funk-

tionstests der einzelnen Komponenten sowie der gesam-

ten zusammenhängenden eingesetzten Verfahrens- und

EMSR-Technik sind unabdingbar. Die eingesetzten Pro-

gramme zur Steuerung der Membrananlage sind system-

spezifisch auf das jeweilige Projekt zugeschnitten.

Von besonderer Bedeutung ist die Funktionstüchtigkeit

der membranspezifischen Verfahrenskomponenten wie

der mechanischen Vorreinigungsstufe und der chemi-

schen Reinigung.

Dichtigkeitstest

Zur Feststellung von produktionsbedingten oder im Zu-

sammenhang mit der Errichtung der Anlage entstandenen

Fehlern an den Membranen und deren Installationen ist

ein Funktionstest erforderlich, um die Dichtigkeit zu prü-

fen. Folgende Maßnahmen sind hierfür denkbar:

• filtratseitiger Luftdruckhaltetest (Unterdruck) bei ent-

leertem Becken,

• filtratseitiger Luftdruckhaltetest (Überdruck) mit kon-

stantem oder mit bei der Messung ansteigendem Klar-

wasserspiegel.

Die Höhe des für den Dichtigkeitstest eingesetzten Druckes

ist auf das jeweilige Membransystem (Rückspülfähigkeit

z. B. bei Plattenmodulen) abzustimmen.

Anfahrbetrieb

Nach erfolgreichen Funktions- und Dichtigkeitsprüfun-

gen wird die Anlage mit Belebtschlamm gefüllt. Wenn

kein adaptierter Schlamm einer kommunalen Membran-

anlage verfügbar ist, kann Rücklaufschlamm einer kon-

ventionellen Anlage genutzt werden. Dieser belebte

Schlamm ist von faserigen Inhaltsstoffen zu befreien

(z. B. Siebung).

333

AnhangA

Beim Anfahren der Anlage und der damit verbundenen

Steigerung des TS-Gehaltes auf die Bemessungswerte (vgl.

Kap. A.6.3) kann sich die Flockenstruktur ändern. Als

Nebeneffekt kann bei TS-Gehalten von ca. 8 g/l bis 10 g/l

ein starkes Schäumen eintreten, das z. B. mit Entschäu-

mern behandelt werden kann. Nachdem dieser Prozess

abgeschlossen ist, sinkt die Neigung zur Schaumbildung.

Erfahrungen zeigen, dass mit der Bildung einer Schaum-

decke im Bereich < 10 cm gerechnet werden kann.

A.6.9

Kosten

Allgemeines

Kostenvergleiche müssen die aus Betrieb und Kapitaldienst

entstehenden Jahreskosten berücksichtigen. Generell

haben Kostenabschätzungen und -vergleiche bei Berück-

sichtigung einer eher jungen Verfahrenstechnik den

Nachteil, dass sie normalerweise nach kurzer Zeit an

Aktualität einbüßen, weil Entwicklungen bei der Verfah-

rensoptimierung und marktwirtschaftliche Gesetzmäßig-

keiten die Kosten beeinflussen, üblicherweise derart, dass

junge Verfahren zunehmend an Wettbewerbsfähigkeit

gewinnen. Solche Abschätzungen und Vergleichsrech-

nungen deuten an, dass die Membrantechnologie abhän-

gig von den jeweiligen Randbedingungen durchaus öko-

nomisch interessant werden kann [RAUTENBACH ET AL.

2000].

Bei der Kostenbetrachtung von Membranbelebungsanla-

gen ist zu berücksichtigen, dass diese aufgrund der physi-

kalischen Barriere eine höhere Reinigungsqualität aufwei-

sen als „konventionelle“ Verfahren zur Keimreduktion

von Abwässern. Auch aus diesem Grund ist zurzeit ein

einfacher Vergleich von Membranbelebungsanlagen mit

Belebtschlammanlagen gemäß ATV-DVWK-A 131 ohne

Keimreduktion nur eingeschränkt sinnvoll und Sonder-

fällen vorbehalten. Zurzeit sind Membrananlagen im Ver-

gleich zu konventionellen Belebungsanlagen in der Regel

noch teurer.

Da Membranbelebungsanlagen nur aus wenigen Bau-

körpern bestehen, sind sie verfahrensbedingt vorteilhaft

bei besonderen Randbedingungen, wie z. B. räumlich

begrenzten Standorten, schwierigen Baugrundverhältnis-

sen oder bei architektonisch besonderen Ansprüchen.

Verstärkt wird dies in besonderem Maße für Anforderun-

gen an die Keimverminderung im Abwasser infolge spe-

zieller Vorflutbedingungen.

Aufgrund der höheren Trockensubstanzgehalte in der

Belebung bietet es sich an, beim Membranbelebungsver-

fahren auch für größere Kläranlagen die Möglichkeit

einer simultanen aeroben Schlammstabilisierung zu prü-

fen. Daraus ergeben sich erhebliche planerische Freihei-

ten. Es ergibt sich eine deutlich verringerte Größe der

Belebungsbecken, auf Sedimentations- und ggf. erforder-

licher Filtrationseinrichtungen kann ebenso verzichtet

werden wie auf nachgeschaltete Keimreduktionsanlagen.

Je nach Möglichkeit können ggf. separate Verfahren der

Schlammstabilisierung und Vorklärungen entfallen. Es

sind dabei aber die Auswirkungen erhöhter, der Belebung

zufließender Schmutzfrachten und ggf. entfallendes Faul-

gas energetisch zu berücksichtigen.

Investitionen

Mehraufwendungen bei den Anschaffungskosten für eine

Membranbelebungsanlage entstehen infolge einer not-

wendigen, sehr sorgfältig auszurüstenden mechanischen

Vorreinigung (vgl. Kap. A.6.3), durch die Membrananlage

selbst, leistungsstärkere Belüftungsanlagen, das Chemika-

lienlager und die Dosieranlagen sowie der dafür insge-

samt erforderlichen Elektro- und Steuerungstechnik.

Die zusätzlichen Investitionen für einstufige Sieb- bzw.

Rechenanlage sind insbesondere bei einer Neuerstellung

der Anlage trotz erheblich gestiegener Anforderungen an

Siebgutentnahme, Redundanz und Prozessstabilität

begrenzt. Bezogen auf die Erstellungskosten einer neuen

Membranbelebungsanlage liegen diese im Bereich von

2 % bis 4 %. Eine zweistufige Rechen-/Siebanlage inkl. des

damit verbundenen umbauten Volumens führt zu zusätz-

lichen Baukosten.

Gegenüber einer konventionellen Anlage ist weniger

Belebungsbeckenvolumen vorzuhalten, die Nachklärung

entfällt. Die Minderkosten fallen nicht so hoch aus wie

der reine Volumenvergleich vermuten läßt, insbesondere

wenn Filtrationsbecken erstellt werden.

334

Anhang A

Abbildung A-21 zeigt eine Aufteilung der Investitionen

im Fall eines Neubaus einer Membranbelebungsanlage

(KA Monheim) für einen maximalen Zufluss von ca.

300 m3/h. Bei der maschinellen Ausrüstung dominiert

die Membrananlage mit ca. 34 % deutlich. Von geringerer

Bedeutung sind Aufwendungen für Siebanlagen und Be-

lebungsbecken.

Die in Abbildung A-22 dargestellte orientierende Funk-

tion berücksichtigt Kosten für Platten- und Hohlfasermo-

dulsysteme von in Deutschland angebotenen Systemen

im Zeitraum 1999 bis 2002, die jeweils für vergleichbare

Flüsse für „übliche“ Bedingungen (kommunales Abwas-

ser, Temperaturen 8°C – 12°C) von ca. 22 l/(m2 �h) bis

30 l/(m2 �h) ausgelegt wurden [WEDI 2003].

Werden die Kosten der betriebsfertigen Membrananlage

auf den maximalen Zufluss der Anlagen umgerechnet,

ergibt sich vereinfacht der gegenwärtige, zuflussspezifi-

sche Systempreis nur der Membranfiltrationsanlage ohne

die baulichen Gewerke der Kläranlage. Die zuflussspezifi-

sche Darstellung ermöglicht auch einen Vergleich mit

Membransystemen, die abweichende spezifische Filtra-

tionsleistungen aufweisen.

In diesen Angaben ist die betriebsfertige Filtrationsanlage

mit Pumpen, Gebläsen, verbindenden Leitungen, Chemi-

kaliendosieranlagen und der notwendigen Schaltanlage

berücksichtigt. Auch enthalten sind Kostenanteile für

ausrüstungstechnisches Engineering, Inbetriebnahme

und in der Regel eine fünfjährige Garantie auf die Mem-

branen. Der relative Anteil dieser Leistungen nimmt mit

zunehmender Anlagengröße deutlich ab. Nicht enthalten

sind bauliche Teile einer Kläranlage oder Ausrüstungen

zur mechanischen Vorbehandlung.

335

Bautechnik39 %

alle Angaben bezogen auf die gesamten Errichtungskosten

Maschinentechnik44 %

E-Technik13 %

Lüftung/Sanitär3 %

Sonstiges1 %

(Filtrationskammern: 4 %)(Belebungsbecken: 5 %)

(ges. Membranfiltrationsanlage) incl. EMSR: 34 %(2 Kompaktanlagen Siebung/Sandfang: 5 %)

Abb. A-21

Beispiel einer Aufteilung von Errichtungskosten einer Membranbelebungsanlage für ca. 300 m3/h

[WEDI 2003]

AnhangA

Der nur auf die Membranen entfallende Anteil beträgt ca.

50 % bis 65 % und steigt mit zunehmender Anlagengröße

bzw. maximalem Zufluss. Aktuell schwanken die flächen-

spezifischen Preise für in Deutschland großtechnisch ein-

gesetzte Membranen zwischen 60 s/m2 und 100 s/m2

(Erstinvestition). Es werden aber auch Membranen mit

niedrigeren spezifischen Filtrationsleistungen und ent-

sprechend geringeren Preisen angeboten.

Die sich aus Abbildung A-21 ergebenden Investitionen

und diejenigen für die mechanische Vorbehandlung sind

den Einsparungen für eventuell nicht erforderliche Anla-

genteile wie Nachklärung, Raumfiltrationen, Bestrahlungs-

anlage, ggf. Vorklärung bzw. separate Schlammstabilisie-

rungsanlagen sowie den standortspezifischen Kostenvor-

teilen gegenüber zu stellen. Infolge der zurzeit niedrigen

Preissituation ergeben sich speziell für die Systeme mit

Filtrationsbecken wenig Einsparmöglichkeiten im Bereich

der Kosten für die Belebungsbecken. Die Mehraufwen-

dungen für spezielle Einbauten, Beschichtungen oder

zusätzlicher maschineller Ausrüstung sind in der Größen-

ordnung mit den Kosten für größere Belebungsbecken

häufig vergleichbar.

Die weltweite Nachfrage nach Membrananlagen lässt in

den nächsten Jahren eine weitere Reduzierung der spezi-

fischen Kosten erwarten. Ebenso sind im Bereich der

maschinellen Ausrüstung noch technische Vereinfachun-

gen zu erwarten.

336

spez

ifis

che

Ko

sten

[o

/(m

3 /h

)]

0

Bemessungszufluss [m3/h]

300 600 900 1.200 1.500 1.800 2.100 2.400

Stand 1999-200210.000

9.000

8.000

7.000

6.000

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0

Abb. A-22

Orientierende Netto-Kostenrichtwerte für die betriebsfertige Membranfiltrationsanlage ohne baulichen

Teil [WEDI 2003]

Anhang A

A.6.10

Jahreskosten

A.6.10.1

Kapitaldienst und Membranersatz

Grundsätzlich ist auf die veränderte Kostenstruktur bei

Umsetzung des Membranbelebungsverfahrens hinzuwei-

sen. Während bei neu zu bauenden konventionellen

Belebungsanlagen der bauliche gegenüber dem maschi-

nentechnischen Anteil deutlich überwiegt (etwa im Ver-

hältnis 2 :1), dreht sich dies Verhältnis bei Membranbele-

bungsanlagen aufgrund des fehlenden Nachklärbeckens

und des kleineren Belebungsbeckens sowie des höheren

maschinentechnischen Aufwandes mindestens um. Dies

Verhältnis kann sich noch mehr verschieben, wenn es

sich nicht um einen Anlagenneubau, sondern eine Anla-

genertüchtigung handelt, bei der vorhandene Beckenvo-

lumina genutzt werden (siehe Kap. A.6.7).

Die Investitionen für den Membranteil sind zu untertei-

len in diejenigen Bereiche, die üblichen maschinentech-

nischen Abschreibungszeiträumen unterliegen und die

Membran selbst, die nach Ablauf der Standzeit ersetzt

wird. Die Membranersatzkosten sind über den Kapital-

dienst zu erfassen. Als Abschreibungszeit ist die Standzeit

der Membran anzusetzen, die üblicherweise kürzer ist als

der maschinentechnische Abschreibungszeitraum.

Tabelle A-8 unterstreicht den wesentlichen Einfluss des

Membranersatzes auf die Jahreskosten von Membranbele-

bungsanlagen. Von größter Bedeutung sind daher

betriebliche Maßnahmen, die zu einer Verlängerung der

Standzeit der Membranen führen.

A.6.10.2

Betriebskosten

Im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen fallen

bei Membranbelebungsanlagen erhöhte Betriebskosten

für den Energie- sowie den Chemikalienbedarf an. Wesent-

licher Kostenfaktor ist dabei der Energiebedarf für die

Crossflow-Belüftung.

Der Chemikalienbedarf für die verschiedenen Membran-

systeme ist höchst unterschiedlich. Je nach den erforder-

lichen Intervallen der Zwischen- und Hauptreinigungen

sowie der einzusetzenden Chemikalien wurden spezifische

Kosten von ca. 0,2 s/(m2 �a) bis 1,1 s/(m2 �a) ermittelt.

Diese große Spannbreite deutet an, dass bei der Membran-

reinigung noch Optimierungsbedarf besteht.

A.6.11

Schlussbemerkung

Ein Wirtschaftlichkeitsvergleich ist ausschließlich auf der

Basis der Jahreskosten (Summe aus Kapitaldienst und

Betriebskosten) vorzunehmen. Ein Vergleich lediglich der

Investition ist unseriös.

337

Kosten [Ct/m3] Sparte1)

Tab. A-8

Beispielhafte Darstellung membrantypischer Jahreskostenanteile

Crossflow-Belüftung 0,20 – 0,75 kWh/m3 2,0 – 7,5 B

Permeat/Rezirkulation 0,08 – 0,10 kWh/m3 0,8 – 1,0 B

zusätzlicher Belüftungsbedarf 0,08 – 0,10 kWh/m3 0,8 – 1,0 B

Chemikalien 0,20 – 1,10 m/m2 a 0,3 – 1,8 B

Membranersatz 10 – 5 a 13,3 – 26,6 K

1) B = Betriebskosten; K = Kapitaldienst

Strom: 10 Ct/kWh; Abwasseranfall 90 m3/(EW �a), spez. Membranfläche: 1,5 m2/EW,

marktübliche Chemikalienkosten für H2O2, Säuren und Laugen, Membrankosten: 80 m/m2

AnhangA

A.6.12

Vorteile und Risiken des Membranbelebungs-

verfahrens

A.6.12.1

Allgemeines

Aus den vorangehenden Ausführungen kann entnommen

werden, dass das Membranbelebungsverfahren wesentli-

che Vorteile gegenüber dem konventionellen Belebungs-

verfahren aufweist. Es darf aber nicht übersehen werden,

dass auch Risiken und Nachteile damit verbunden sind.

Im Einzelfall hat eine Gewichtung der Vor- und Nachteile

zu erfolgen, um eine gewissenhafte Verfahrensentschei-

dung zu ermöglichen. An dieser Stelle werden daher die

wichtigsten Argumente nochmals angeführt.

Vorteile

Die besonderen Vorteile des Membranbelebungsverfah-

rens lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• geringerer Platzbedarf, weil durch den höheren TS-

Gehalt die Belebungsbeckenvolumina kleiner gewählt

werden können und auf die Nachklärung ganz verzich-

tet werden kann,

• wesentlich einfachere Möglichkeit zur Einhausung von

Kläranlagen und somit höherer Akzeptanz in dicht

besiedelten Gebieten,

• hygienisch einwandfreie Ablaufqualität, weil keine

abfiltrierbaren Stoffe im Ablauf enthalten sind und

dadurch der Keimgehalt stark reduziert ist,

• Verbesserung der Betriebssicherheit durch Vermeidung

von Beeinträchtigungen der Ablaufqualität durch Bläh-

schlamm, Schwimmschlamm und Schlammabtrieb,

• Reduktion der organischen Restverschmutzung,

Risiken und Nachteile

Im Einzelfall ist abzuwägen, welche Risiken und Nachtei-

le bei Realisierung einer Membranbelebungsanlage von

Bedeutung sind. Nachfolgend sind mögliche kritische

Punkte angeführt, welche je nach gegebenen Rahmenbe-

dingungen zu überprüfen sind:

• erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Stossbelastungen

aufgrund geringerer Beckenvolumina,

• erhöhter Gesamtenergiebedarf insbesondere für die

Modulbelüftung,

• die Membranmodule können durch Faserstoffe, zu

hohe Biomassekonzentration oder schlechte Durchmi-

schung im Filtrationsbereich verblocken oder ver-

schlammen, weshalb stets auf eine korrekte Funktions-

weise der Modulbelüftung zu achten ist,

• membranschädigende Abwasserinhaltsstoffe, die z. B.

auch durch Störfälle in die Kläranlage gelangen, kön-

nen zu einer erheblichen und irreversiblen Reduktion

der Filtrationsleistung führen,

• erhöhter apparativer Aufwand und zusätzliche Anforde-

rungen an die Prozesssteuerung,

• Einbringung/Produktion von Schadstoffen durch Reini-

gungschemikalien (z.B. AOX durch chlorhaltige Oxida-

tionsmittel),

• Errichtung von geeigneten Chemikalienlagern.

A.6.13

Glossar

Die für das Membranbelebungsverfahren besonders

bedeutsamen Begriffe werden nachfolgend kurz beschrie-

ben.

338

Anhang A

Arbeitsdruck

Der Arbeitsdruck ist erforderlich, um eine Filtrationsleis-

tung zu erzielen. Der Arbeitsdruck setzt sich zusammen

aus:

• Transmembrandruck und

• Leitungsverlusten.

Der Arbeitsdruck wird üblicherweise als Differenz zwi-

schen der Saugseite der Pumpe/Regelarmatur und dem

Umgebungsdruck unter Berücksichtigung der Wasserspie-

gellage (siehe auch Transmembrandruck).

Biofouling

Ausbildung eines Biofilms auf der Membranoberfläche

oder in der Membran durch Wachstum von Mikroorga-

nismen; Biofouling bewirkt eine Leistungs- bzw. Permea-

bilitätsminderung (siehe auch Fouling und Scaling).

Brutto-Permeatflux

aktueller Permeatflux während der Filtrationsphase eines

Zyklusses (siehe Abbildung A-17 und Netto-Permeatflux).

Crossflow

Der Begriff Crossflow stammt aus dem Bereich der im

Druckrohr betriebenen trocken aufgestellten Membransys-

teme. Bei diesem Prozess werden die Membranen über-

strömt (Querströmung = Crossflow), um die Deckschicht-

bildung auf der Membranoberfläche zu begrenzen. Bei

Membranbelebungsanlagen mit getauchter Membranfil-

tration entsteht durch die eingetragene Luft (üblicher-

weise grobblasig) eine Querströmung an der Membran-

oberfläche, die ebenfalls als Crossflow bezeichnet wird

und der Deckschichtkontrolle dient. Die Wirkmechanis-

men unterscheiden sich jedoch aufgrund der Zweiphasen-

strömung deutlich von dem Prinzip des klassischen

Crossflow-Betriebes innendurchströmter Druckrohrsysteme.

Deckschicht

Anlagerung der an der Membranoberfläche zurückgehal-

tenen Komponenten.

Filtrat

Teil des Stoffgemisches, der bei der Mikro- und Ultrafil-

tration die Membran passiert (siehe auch Permeat).

Fluss (engl.: flow)

Volumen pro Zeiteinheit

Flux (engl.: flux oder permeate flux)

spezifischer Filtratvolumenstrom je Flächen- und Zeitein-

heit (je m2 Membranfläche, je Stunde), Einheit [l/(m2�h)]

mit: vF = Permeatflux (l/(m2�h))

QF = Permeatvolumenstrom (l/h)

AM = Membranfläche (m2)

Bei stationären Verhältnissen errechnet sich der Permeat-

flux aus dem Permeatvolumenstrom (QF) bezogen auf die

Membranfläche (AM). Bei instationären Verhältnissen

kann nur ein mittlerer Permeatflux angegeben werden.

Dieser wird durch Wahl eines genügend großen Zeitinter-

valls (∆t) und des zugehörigen Permeatvolumens (∆VF)

ermittelt.

Fouling

allgemein: Ablagerung von Stoffen auf der Membran, an

oder in den Poren. Je nach foulingverursachenden Stof-

fen wird unterschieden nach organischem Fouling, anor-

ganischem Fouling und Bio-Fouling unterschieden. Fou-

ling bewirkt immer eine Leistungs- bzw. Permeabilitäts-

verminderung der Membran (siehe auch Biofouling und

Scaling).

Konzentrat

Teilstrom des Stoffgemisches, in dem der von der Mem-

bran zurückgehaltene, belebte Schlamm aufkonzentriert

ist und der üblicherweise als Rücklaufschlamm in das Be-

lebungsbecken zurückgeführt wird (siehe Abbildung A-15).

339

�F =QF

AM

=1

AM

�∆VF

∆ t

l

m2 � h[ ]

AnhangA

Membran

Barriere, die bei Membranbelebungsanlagen den Partikel-

rückhalt bewirkt.

Membranfläche A M

Für den Filtrationsprozess zur Verfügung stehende Mem-

branoberfläche:

innen durchströmte Systeme: Innenfläche, bei rohrför-

migen Systemen definiert durch den Innendurchmesser;

außen umströmte Systeme: Außenfläche, bei rohrförmi-

gen Systemen definiert durch den Außendurchmesser.

Modul

anschlussfertige, funktionsfähige Anlagenkomponente

bestehend aus

• Membranen bzw. Membranelementen,

• interne Rohrleitungen,

• Modulbelüftung,

• Armaturen, Anschlussteile,

• sonstige Halterungen.

Netto-Permeatflux

Der tatsächlich im Dauerbetrieb erzielbare spezifische

Permeatflux, der in einem Zyklus der Membrananlage

erreicht wird [l/(m2 �h)]; zu berücksichtigen sind:

• Filtrationspausen,

• Rückspülzeiten, Schaltzeiten und

• die für die Rückspülung benötigte Permeatmenge.

Für die Reinigung benötigte Betriebspausen sowie Permeat-

mengen sind bei der konzeptionellen Planung zu berück-

sichtigen.

Permeabilität

Kenngröße zur Beschreibung der Durchlässigkeit einer

Membran. Quotient aus dem Brutto-Permeatflux und

dem Transmembrandruck; Einheit: [l/(m2� h � bar)]. Die

Permeabilität sollte auf eine Bezugstemperatur korrigiert

werden, um die Vergleichbarkeit von Angaben zu verbes-

sern.

mit: vP = Brutto-Permeatflux (l/(m2�h))

∆pTM = Transmembrandruck (bar)

Permeat

Teil des Stoffgemisches, der bei der Nanofiltration und

Umkehrosmose die Membran passiert (siehe auch Filtrat).

Anmerkung: Obwohl es sich gemäß den verwendeten

Membranporendurchmessern beim Membranbelebungs-

verfahren in der kommunalen Abwasserreinigung um

eine Mikro- bzw. Ultrafiltration handelt, hat sich – ent-

gegen der formalen Definition – in der Praxis, in der

Literatur und in den Fachdiskussionen der Begriff Permeat

etabliert. Dies soll durch diesen 2. Arbeitsbericht nicht

verändert werden.

340

Lp =Vp

∆pTM

l

m2 � h � bar[ ]

Netto – Permaflux =l

m2 � h[ ]Permeatatmenge während eine Zyklusses [l] – Rückspülverluste [l]

Zykluszeit [h] � Membranfläche [m2]

Anhang A

Porendurchmesser

Die Poren bei Porenmembranen sind in der Regel nicht

uniform, d. h. sie weisen eine mehr oder weniger starke

Porengrößenverteilung auf. Als nominaler Porendurch-

messer (Einheit i. d. R. [µm]) wird der Porendurchmesser

bezeichnet, bei der die Porengrößenverteilung ein Maxi-

mum aufweist (nach RAUTENBACH, „Membranverfah-

ren“, Springer-Verlag). Der maximale Porendurchmesser

kann mit der Blasendruckmethode (bubble point) nach

DIN 58 355, Teil 2, ermittelt werden, bei der festgestellt

wird, welcher Druck erforderlich ist, um die ersten Luft-

blasen durch die Membran hindurchzupressen. Der maxi-

male Porendurchmesser ist dann über eine Formel zu

errechnen.

Rückspülung

Intervallweise, kurzfristige Umkehrung der Strömungs-

richtung durch die Membran zur Ablösung der beim

Filtrationsvorgang angelagerten „Partikel“ (Deckschicht),

i. a. R. mit Permeat.

Scaling

Ablagerung anorganischer Wasserinhaltsstoffe an der

Membran nach deren Ausfällung (siehe auch Fouling und

Biofouling).

Transmembrandruck, transmembraner Druck ∆pTM

Druckunterschied bzw. Druckverlust über die Membran

(zwischen Außen- und Innenseite der Membran); engl.:

transmembrane pressure; abgekürzt: TMP (siehe auch

Arbeitsdruck).

Zyklus

Zeitliche Summe aus Filtrationsphase und anschließender

Rückspülphase bzw. Stillstandsphase (siehe Abbildung

A-17).

341

AnhangA

A.6.14

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343

AnhangA

344

Ort Kapazität m3/h Rohwasser Inbetriebnahme Hersteller Membranverfahren

A.7

Großtechnisch realisierte Membrananlagen zur Trinwasseraufbereitung in Deutschland

Neckarburg 70 Karstquelle 9’1998 Aqua-source UF

Hermeskeil 140 Quelle u. Prims Talsperre 2’1999 X-Flow UF

Sundern 250 Sorpe Talsperre 3’2001 X-Flow UF

Marmagen 45 Karstquelle 3’2001 Zenon UF

Denkingen 15 Karstquelle 6’2001 X-Flow UF

Neustadt, Saale 70 Fluss 7’2001 X-Flow UF

Olpe, Elspetal 80 Bach/Quelle 8’2001 X-Flow UF

Calw, Hirsau 50 Quelle 3’2001 X-Flow UF

Jachenhausen 72 Karstquelle 8’2002 Inge UF

Partenstein 35 Karstquelle 11’2002 Inge UF

Olef 750 Olef Talsperre 1’2003 X-Flow UF

Regnitzlosau 27 Brunnen 1’2003 Zenon UF

Bad Herrenalb 36 Pelzkappenquelle 2’2003 X-Flow UF

Kandern 50 Quelle 3’2003 X-Flow UF

Lauterhofen 90 Brunnen 5’2003 X-Flow UF

Miltenberg 80 Brunnen 6’2003 Zenon UF

Waldberg 210 Quelle 6’2003 Zenon UF

Burglauer 30 Brunnen 7’2003 Inge UF

Bad Kissingen 120 Brunnen 11’2003 Inge UF

Heinrichsthal 13 Brunnen 11’2003 Inge UF

Sulzbach-Lauf. 36 Quelle 12’2003 X-Flow UF

Bad Ditzenbach 22 Quelle 12’2003 X-Flow UF

Günterstal 60 Quelle 1’2004 PALL UF

Fellen 18 Quelle 1’2004 Inge UF

Gaggenau 15 Quelle 4’2004 Inge UF

Bad Herrenalb 18 Quelle 4’2004 X-Flow UF

Roetgen 6.000 Talsperre in Bau X-Flow UF

Anhang A

345

Schlagwort Erläuterung

A.8

Glossar

Abwasserfreier Betrieb Kreislaufschließung, bei der keine Emissionen durch Abwasser entstehen. Für Membranverfahren bedeutet das,

dass sowohl das Permeat als auch das Konzentrat wiederverwendet werden können.

Ausbeute Verhältnis von produziertem Permeat (Filtrat) zur eingespeisten Rohwassermenge.

Crossflow-Filtration/ Betriebsweise: Der Feedstrom überströmt die Membranoberfläche parallel.

Dynamische Filtration

Dead-End-Filtration/ Betriebsweise: Die Membranoberfläche wird orthogonal mit dem Feedstrom beaufschlagt.

Statische Filtration

Deckschicht Feedseitige Anlagerung der von der Membran zurückgehaltenen Komponenten an der Membranoberfläche.

Deckschichtkontrollierte Filtration Die Höhe und Dichte der Deckschicht kann durch den angelegten Druck und die Überströmgeschwindigkeit

beeinflusst werden, so dass die Filtereigenschaften der Deckschicht dadurch gezielt genutzt werden können.

Dalton [D] Einheit für das Molekulargewicht.

Dynamische Filtration Siehe Crossflow-Filtration.

End-of-pipe-Maßnahmen Maßnahmen zur Reduzierung entstandener Emissionen am Ende einer Verfahrenskette.

Feed Zu behandelndes Stoffgemisch im Zulauf (Rohlösung bei flüssigen Stoffgemischen).

Feed-and-Bleed-Struktur Schaltungsvariante von Modulen: Das Konzentrat aus dem vorgeschalteten Modul wird jeweils in den

Feed-Volumenstrom des nachgeschalteten Moduls geführt.

Filtrat, Permeat Teil des Stoffgemisches, der die Membran passiert.

Fluss (flächenspezifischer) oder Flux Auf die Membranfläche bezogener Filtrat- bzw. Permeatvolumenstrom. Durchsatz durch die Membran.

Einheit [ l/(m2 � h)].

Fouling Deckschichtbildung auf der Membran durch organische Bestandteile, die zu einer Abnahme der

Filtrationsleistung führt.

Irreversibles Fouling Fouling, welches sich durch Rückspülungen bzw. Spülungen und chemische Reinigungen nicht mehr entfernen lässt.

Konzentrat Teilstrom des Stoffgemisches, welcher von der Membran zurückgehalten wird bzw. aus dem Feedstrom

abgetrennt wird.

Leistungsfähigkeit Flächenspezifischer Permeatfluss einer Membran unter definierten Betriebsbedingungen.

Lösungs-Diffusions-Membranen Membranen, die eine unterschiedliche Löslichkeit und Diffusivität der Stoffkomponenten zur Trennung nutzen,

(LDM) Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen.

Membran Selektive Barriere zwischen zwei Phasen unterschiedlicher Konzentration [RAUTENBACH 1997].

Modul Anschlussfertige, funktionsfähige Anlagenkomponente, bestehend aus Membran bzw. Membranelementen,

Druckbehälter und modulspezifischen Apparateteilen [MARQUARDT 1998].

Nährstoffelimination Abbau bzw. Elimination von Stickstoff- und Phosphorverbindungen.

Nominaler Porendurchmesser Porengröße, die als Maximum in der Porengrößenverteilung (einer Membran) auftritt.

Parallelschaltung Modulschaltung, bei dem der Feedstrom auf zwei oder mehr Module aufgeteilt wird.

Permeabilität Größe zur Beschreibung der Durchlässigkeit einer Membran. Quotient aus dem flächenspezifischen Fluss und dem

transmembranen Druck. Einheit: [ l/(m2 � h � bar].

Permeat, Filtrat Teil des Stoffgemisches, der die Membran passiert.

Porenmembranen Membranen, bei denen die Trennung auf einem Siebeffekt beruht, der durch Deckschichtbildung verbessert

werden kann, Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen.

Reihenschaltung Modulschaltung: Der Konzentratstrom eines Moduls dient als Feedstrom des folgenden Moduls.

Das Permeat der einzelnen Module wird zusammengeführt.

Retentat/Konzentrat Teilstrom des Stoffgemisches, der durch die Membran zurückgehalten wird.

Rezirkulation Rückführung des Konzentratstroms bzw. eines Teils des Konzentratstroms in den Feedstrom.

AnhangA

346

Schlagwort Erläuterung

Rückspülung Intervallweise, kurzfristige Umkehrung der Strömungsrichtung zur Ablösung der beim Filtrationsvorgang

angelagerten „Partikel“ (Deckschicht), i. d. R. mit Filtrat.

Scaling Durch anorganische Ausfällungen (Kristallisation) gebildete Beläge auf der Membran.

Selektivität Fähigkeit einer Membran, zwischen den abzutrennenden Komponenten eines Stoffgemisches zu unterscheiden.

Semi-Crossflow- oder Kombination von Dead-End- und Crossflow-Verfahren, z. B. durch Dead-End-Filtration mit diskontinuierlicher

Semi-Dead-End-Verfahren membranparalleler Überströmung.

Spülung Kurzzeitiger Betrieb mit klarem Wasser ohne Umkehrung der Permeationsrichtung.

Statische Filtration Siehe Dead-End-Filtration.

Stufe (Druckstufe) In sich funktionierende Einheit einer Membrananlage, bestehend aus Modulen, Pumpen, Ventilen usw.

Tannenbaumstruktur Schaltungsvariante: Die Module innerhalb der in Reihe geschalteten Blöcke sind parallel geschaltet. Der Konzentrat-

volumenstrom wird dabei von Block zu Block weiter aufkonzentriert bzw. minimiert, die Permeatausbeute entspre-

chend gesteigert. Das Permeat wird in jedem Block abgezogen, wodurch sich der zu behandelnde Volumenstrom

von Block zu Block reduziert.

Transmembrane Druckunterschied bzw. Druckverlust über die Membran (von der Feed- bzw. Konzentratseite zur Permeatseite).

Druckdifferenz

Trenngrenze Die Trenngrenze einer Membran wird durch das sogenannte Cut-Off-Molekulargewicht angegeben. Hierunter ist die

spezifische Masse eines Makromoleküls zu verstehen, welches zu 95% von der jeweiligen Membran zurückgehalten

wird.

Weitergehende Abwasserreinigung Ursprünglich: Behandlungsschritte, die über die Abtrennung absetzbarer Stoffe und die Kohlenstoffelimination hin-

ausgehen.

Heute werden darunter oftmals Maßnahmen, die über die Nährstoffelimination hinausgehen, zusammengefasst

(z. B. Sandfiltration, Desinfektion, Stoffabtrennung und Aufbereitung mit Membrantechnik).

Zwischenreinigung Dem (Rück-) Spülwasser werden Chemikalien wie z. B. Zitronensäure oder oxidierende Chemikalien (z. B. Hypochlo-

rit) zugesetzt.

Anhang A

347

Abkürzung Bedeutung

A.9

Abkürzungsverzeichnis

AbwV Abwasserverordnung, Fassung vom 20. September 2001

AFS Abfiltrierbare Stoffe

BB Belebungsbecken

BSB5 Biochemischer Sauerstoffbedarf innerhalb von fünf Tagen

CSB Chemischer Sauerstoffbedarf

EW Einwohnerwert

KA Kläranlage

M Membranstufe

MF Mikrofiltration

MUNLV Ministerium für Umwelt- und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW

NF Nanofiltration

NK Nachklärbecken

Pges Gesamtheit der Phosphorverbindungen (Einheit: mg/l)

Qd Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter

Qt Maximaler Trockenwetterzufluss als 2h-Mittel bei Trockenwetter

RE Rechen

RO Umkehrosmose (engl.: Reverse Osmosis)

SFF Sand-/ Fettfang

TS Trockensubstanz: der TS-Gehalt entspricht der Biomassekonzentration (Einheit: g/l)

UF Ultrafiltration

UO Siehe RO

VK Vorklärbecken

WHG Wasserhaushaltsgesetz

348

349

350

Documents

Membrantechnik für die Abwasserreinigung · 1.3.2 Morphologie, Struktur und Herstellung 34 1.4 Membranformen und -module 36 1.5 Anordnung von Modulen 44 1.6 Betriebsarten 46 1.7