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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran Abteilung Abwassertechnik Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth Bandtäle 2, 70569 Stuttgart Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark variablen Zulaufverhältnissen auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes Lipbach-Bodensee Schlußbericht Auftraggeber: Regierungspräsidium Tübingen Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. B. Günder September 1998

Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

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Universität Stuttgart

Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft

Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran

Abteilung Abwassertechnik

Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth

Bandtäle 2, 70569 Stuttgart

Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch

Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark

variablen Zulaufverhältnissen

auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes

Lipbach-Bodensee

Schlußbericht

Auftraggeber:

Regierungspräsidium Tübingen

Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung,

Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des

Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth

Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. B. Günder

September 1998

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Page 3: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Teil 1: Hauptuntersuchungen 1 Einführung ...........................................................................................................1

2 Grundlagen des Belebungsverfahrens.............................................................5

3 Membranen und Membranverfahren...............................................................17

4 Aufbau der Versuchsanlagen ..........................................................................29

5 Meß- und Analysenprogramm .........................................................................50

6 Darstellung der Ergebnisse .............................................................................53

7 Schlußbetrachtungen .....................................................................................185

8 Literatur............................................................................................................193

Teil 2: Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen

1 Zielsetzung der Untersuchungen ......................................................................1

2 Untersuchungen der Anreicherung anorganischer und organischer Schadstoffe im belebtem Schlamm...................................................................2

3 Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen.....17

4 Untersuchungen zum Abbau umweltrelevanter organischer Substanzen .20

5 Methoden und Daten.........................................................................................26

6 Zusammenfassung ...........................................................................................39

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Universität Stuttgart

Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft

Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran

Abteilung Abwassertechnik

Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth

Bandtäle 2, 70569 Stuttgart

Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch

Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark

variablen Zulaufverhältnissen

auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes

Lipbach-Bodensee

Schlußbericht Teil 1

Hauptuntersuchungen

Auftraggeber:

Regierungspräsidium Tübingen

Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung,

Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des

Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth

Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. B. Günder

September 1998

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite II Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Inhaltsverzeichnis Teil 1

Hauptuntersuchungen

1 Einführung...........................................................................................................1 1.1 Veranlassung .............................................................................................1 1.2 Zielsetzung und Untersuchungsschwerpunkte ..........................................1 1.3 Aktuelle Situation auf der Kläranlage Immenstaad ....................................3

2 Grundlagen des Belebungsverfahrens.............................................................5 2.1 Allgemeines zum Belebungsverfahren.......................................................5 2.2 Ersatz der Nachklärung durch Membranen-

Membranbelebungsanlage.........................................................................5 2.3 Nachteile von konventionellen Belebungsanlagen und

Leistungsumfang der Membranfiltration.....................................................6 2.4 Kläranlagenzufluß und hydraulische Flexibilität .........................................7 2.5 Überschußschlammproduktion und Schlammalter ....................................9 2.6 Energieeinsatz auf kommunalen Kläranlagen..........................................10 2.7 Sauerstoffzufuhr.......................................................................................11

2.7.1 Grundlagen .................................................................................11 2.7.2 Energiebedarf der Sauerstoffzufuhr ............................................13 2.7.3 Begriffsdefinitionen......................................................................14

3 Membranen und Membranverfahren...............................................................17 3.1 Definition Membran und Membrantrennprozeß .......................................17 3.2 Membranmaterialien und Membranstrukturen .........................................17 3.3 Überblick Membrantrennprozesse ...........................................................18 3.4 Trenngrenzen und Membranverfahren ....................................................19 3.5 Verfahrensweisen zur Mikrofiltration ........................................................19 3.6 Begriffsdefinitionen bei der crossflow-Mikrofiltration ................................21 3.7 Modellvorstellungen zum Stoffaustausch bei der crossflow-

Mikrofiltration ............................................................................................22 3.8 Temperatureinfluß....................................................................................25 3.9 Module zur crossflow-Mikrofiltration .........................................................27

4 Aufbau der Versuchsanlagen ..........................................................................29 4.1 Auswahl der Systeme ..............................................................................29 4.2 Zielvorgaben und Gesamtkonzeption ......................................................29 4.3 Detaillierte Beschreibung der Anlage WABAG ........................................31

4.3.1 Aufbau der Versuchsanlage WABAG .........................................31 4.3.2 Funktionsprinzip der Anlage WABAG.........................................33

4.4 Detaillierte Beschreibung der Anlage ZENON .........................................35 4.4.1 Aufbau der Versuchsanlage ZENON..........................................35 4.4.2 Funktionsprinzip der Anlage ZENON..........................................37

4.5 Detaillierte Beschreibung der Anlage BERGHOF....................................39 4.5.1 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF.....................................39 4.5.2 Funktionsprinzip der Anlage BERGHOF.....................................41

4.6 Zusammenstellung der wichtigsten technischen Kennwerte ...................43 4.7 Berechnung der transmembranen Druckdifferenz ...................................44

4.7.1 Anlagen WABAG und ZENON....................................................44 4.7.2 Anlage BERGHOF......................................................................45

4.8 Festlegung der systemrelevanten Stromverbraucher und theoretischer Berechnungsansatz............................................................47

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

5 Meß- und Analysenprogramm .........................................................................50 5.1 Anordnung Probenahmestellen und online-Messungen ..........................50 5.2 Konzeption der Meßwerterfassung und Datenfernübertragung...............51 5.3 Analysenmethoden (Laboranalysen) .......................................................52

6 Darstellung der Ergebnisse .............................................................................53 6.1 Überblick Versuchsabschnitte..................................................................53 6.2 Versuchsabschnitt 0 (12.3.97 bis 2.4.97).................................................53 6.3 Versuchsabschnitt 1 (2.4.-26.5.97) ..........................................................55

6.3.1 Zielsetzung..................................................................................55 6.3.2 Protokoll und Kennwerte VA1 .....................................................55 6.3.3 Hydraulik .....................................................................................56 6.3.4 Chemisch-physikalische Parameter............................................59 6.3.5 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 1............................61 6.3.6 Verhältniswerte im Zulauf und Einfluß der Vorklärung................66 6.3.7 Zusammenfassung VA1..............................................................67

6.4 Versuchsabschnitt 2 (26.5.-10.07.97) ......................................................69 6.4.1 Zielsetzung..................................................................................69 6.4.2 Protokoll und Kennwerte VA2 .....................................................69 6.4.3 Zulaufganglinie............................................................................70 6.4.4 Hydraulik .....................................................................................72 6.4.5 Chemisch-physikalische Parameter............................................75 6.4.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 2............................77 6.4.7 Zusammenfassung VA2..............................................................82

6.5 Versuchsabschnitt 3 (11.7.97-5.11.97) ....................................................84 6.5.1 Zielsetzung..................................................................................84 6.5.2 Protokoll und Kennwerte VA3 ....................................................84 6.5.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ....................................88 6.5.4 Hydraulik .....................................................................................89 6.5.5 Chemisch-physikalische Parameter............................................92 6.5.6 Intensivuntersuchungen im Versuchsabschnitt 3........................95 6.5.7 Zusammenfassung VA3............................................................105

6.6 Versuchsabschnitt 4 (5.11.97 bis 07.01.98)...........................................108 6.6.1 Zielsetzung................................................................................108 6.6.2 Protokoll und Kennwerte VA4 ...................................................108 6.6.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ..................................111 6.6.4 Hydraulik ...................................................................................112 6.6.5 Chemisch-physikalische Parameter..........................................118 6.6.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 4i (3.12.97-

22.12.97) ...................................................................................121 6.6.7 Zusammenfassung VA4............................................................131

6.7 Versuchsabschnitt 5 (7.1.98 - 6.4.98) ....................................................133 6.7.1 Zielsetzung................................................................................133 6.7.2 Protokoll und Kennwerte VA5 ..................................................133 6.7.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ..................................134 6.7.4 Hydraulik ...................................................................................134 6.7.5 Chemisch-physikalische Parameter..........................................138 6.7.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 5i (20.2.98-

31.3.98) .....................................................................................142 6.7.7 Zusammenfassung VA5............................................................150

6.8 Versuchsabschnitt 6 (6.4.98 - 2.6.98) ....................................................153 6.8.1 Zielsetzung................................................................................153

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite IV Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.8.2 Kennwerte VA6 .........................................................................153 6.8.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ..................................154 6.8.4 Hydraulik ...................................................................................154 6.8.5 Chemisch-physikalische Parameter..........................................157 6.8.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 6i (20.2.98-

31.3.98) .....................................................................................160 6.8.7 Zusammenfassung VA6............................................................168

6.9 Sonderuntersuchungen..........................................................................169 6.9.1 Mikrobiologische Parameter......................................................169 6.9.2 Stromverbrauch.........................................................................172 6.9.3 Dichte- und Viskositätsmessungen...........................................176 6.9.4 Sauerstoffeintragsversuche ......................................................180

7 Schlußbetrachtungen .....................................................................................185 7.1 Grundsätzliches......................................................................................185 7.2 Zuverlässigkeit der Versuchsanlagen ....................................................185 7.3 Hydraulische Leistung der Membraneinheiten.......................................186 7.4 Wichtige Betriebskennwerte...................................................................187 7.5 Rückhalt von Feststoffen........................................................................187 7.6 Kohlenstoffelimination ............................................................................187 7.7 Stickstoffelimination................................................................................187 7.8 Phosphorelimination...............................................................................189 7.9 Mikrobiologische Parameter...................................................................189 7.10 Schlammbelastungen und Überschußschlammproduktion....................190 7.11 Sauerstoffzufuhr und Feststoffgehalt .....................................................190 7.12 Systemrelevanter Energieeinsatz ..........................................................191

8 Literatur............................................................................................................193

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite V Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Symbolverzeichnis Formelzeichen

A m² Fläche A m² Grenzfläche Wasser-Luft A/V 1/m spezifische Grenzfläche a c mg/l Sauerstoffkonzentration im Abwasser cs mg/l Sättigungskonzentration von Sauerstoff im Abwasser d m Durchmesser D m²/h Diffusionskoeffizient von Sauerstoff g m/s² Erdbeschleunigung H m Einblastiefe bzw. Wurfhöhe k - Widerstandsbeiwert kLa 1/h Belüftungskoeffizient N KBE/ml Keimzahl n - Anzahl P W Leistung p Pa Druck ∆pTM Pa transmembraner Druckverlust Q m³/s Volumenstrom r m Radius RD 1/m Deckschichtwiderstand RM 1/m Membranwiderstand T K, °C Temperatur t s Zeit tK h mittlere Dauer der Existenz der wasserseitigen Grenzfläche

Wasser-Luft tTS d Schlammalter tV s Verweilzeit V m³ Volumen (Wasser-) v m/s Geschwindigkeit V m³ eingebrachtes Wasser bzw. Luftvolumen

•V

m³/s Volumenstrom

vP l/(m²⋅h) flächenbezogener Permeatvolumenstrom = Fluß Griechische Symbole

α - Grenzflächenfaktor β - Molares Verhältnis Me3+/Pges ∆ - Differenz η Pa s dynamische Viskosität ηP - Pumpenwirkungsgrad ϑ K, °C Temperatur λ - Reibungsbeiwert µ 1/h spezifische Wachstumsrate υ m²/s kinematische Viskosität ρL kg/m³ Dichte der Luft ρW kg/m³ Dichte des Wassers τ Pa Wandschubspannung σ J/m Grenzflächenspannung; für belebten Schlamm ca. 0,06 J/m²

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite VI Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Indizes

A flächenbezogene Größe D Deckschicht F Feed, Zulauf F Filtrat K Konzentrat M Membran max maximaler Wert min minimaler Wert P Partikel P Permeat P Pumpe R Reinigung TM transmembran V volumenbezogene Größe Abkürzungen

AFS mg/l abfiltrierbare Stoffe BSB5 mg/l biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen BTS kg/(kg⋅d) Schlammbelastung CSB mg/l chemischer Sauerstoffbedarf CSBmf mg/l chemischer Sauerstoffbedarf in der membranfiltrierten Probe

(0,45 µm) DIN Deutsches Institut für Normung DOC mg/l gelöster organischer Kohlenstoff (in der membranfiltrierten

Probe; 0,45 µm) ET m Einblastiefe (Anordnung Belüftung unter dem Wasserspiegel) FM Fällungsmittel GV % Glühverlust KS4,3 mmol/l Säurekapazität NH4

+-N mg/l Ammoniumstickstoff NO2

--N mg/l Nitritstickstoff NO3

--N mg/l Nitratstickstoff oTS g/l organischer Trockensubstanzgehalt Pges mg/l Gesamtphosphor PO4

3--P mg/l Phosphat-Phosphor TKN mg/l Kjeldahlstickstoff TOC mg/l gesamter organischer Kohlenstoff TS g/l Trockensubstanzgehalt VA Versuchsabschnitt WT m Wassertiefe Markierungen

_zu den Zulauf betreffend _ab den Ablauf betreffend _W Anlage WABAG _Z Anlage ZENON _B Anlage BERGHOF

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 1 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

1 Einführung

1.1 Veranlassung

Innovative Entwicklungen auf dem Gebiet der Membrantechnologie sind für den Einsatz

in der kommunalen Abwasserreinigung sehr vielversprechend, aber noch nicht ausrei-

chend in der Praxis erprobt. Vor dem Hintergrund einer bevorstehenden, umfangrei-

chen Erweiterung der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes Lipbach-

Bodensee in konventioneller Bauweise aufgrund ungenügender Ablaufwerte bot es sich

an, den Einsatz der verfügbaren Membrantechnologien auf dieser Kläranlage exempla-

risch zu untersuchen.

Nach gemeinsamer Absprache mit dem Regierungspräsidium Tübingen, dem Abwas-

serverband Lipbach-Bodensee, der Süddeutsche Abwasserreinigungs-

Ingenieurgesellschaft mbH (SAG), Ulm, als beteiligtem Planungsbüro und dem Institut

für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart

wurde im September 1996 die Durchführung eines Forschungsvorhabens zum Nach-

weis der prinzipiellen Eignung der Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreini-

gung beschlossen. Im Dezember 1996 erfolgte die Zustimmung des Abwasserverban-

des Lipbach-Bodensee zum geplanten Forschungsvorhaben und die Beauftragung von

Firmen zur Erstellung von Versuchsanlagen zur Membranfiltration auf dem Gelände der

Kläranlage Immenstaad.

Dem Einsatz von Membranen in der kommunalen Abwasserbehandlung mit dem Ziel,

die Nachklärbecken zu ersetzen, wird als zukunftsorientierte Variante des bewährten

Belebungsverfahrens betrachtet. Aufgrund der Leistungsfähigkeit der Membranen kön-

nen sonst übliche Verfahrensschritte der weitergehenden Abwasserbehandlung entfal-

len und eine sehr hohe Ablaufqualität erzielt werden. Inwieweit sich hieraus eine insge-

samt ökonomische Lösung ergibt, muß der noch ausstehende Kostenvergleich erbrin-

gen.

1.2 Zielsetzung und Untersuchungsschwerpunkte

Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens lag im praxisnahen Nachweis des Einsatzes

der Membrantechnolgie in der kommunalen Abwasserreinigung, aufgezeigt am Beispiel

der Kläranlage Immenstaad. Neben der sicheren Einhaltung der geforderten Überwa-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 2 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

chungswerte für den Kläranlagenablauf und der Bewältigung der variablen Zulaufvolu-

menströme stand die Betriebssicherheit unter praxisgerechten Bedingungen sowie die

maximale Leistungs- und Belastungsfähigkeit dieser neuen Technologie im Mittelpunkt

der Untersuchungen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhaben wurden stets auch un-

ter dem Gesichtspunkt der Übertragbarkeit auf vergleichbare Anwendungsfälle ermittelt.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollten insbesondere folgende Fragestellun-

gen untersucht werden:

• Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit der Membranen bei Mischwasserzuflüs-

sen,

• Flexibilität der Membranen zur Bewältigung der stark variablen Zuflüsse (die maxi-

male Variation des Zuflusses beträgt bei Mischkanalisationen ca. 1:10),

• Langzeitstabilität der Membranen (beschränkt natürlich auf die Dauer des For-

schungsvorhabens) und Betriebssicherheit der gesamten Systemkonfiguration

(Membranmodule, Permeatextraktion, Rückspülung, etc.),

• Energieeinsatz für die Filtration und für die Belüftung bei hohen Feststoffgehalten,

• Realisierung der Nährstoffelimination (vorgeschaltete, simultane oder intermittieren-

de Denitrifikation, Phosphatfällung),

• Ermittlung von Dimensionierungsgrößen für den Ausbau der Kläranlage Immen-

staad.

Aufgrund der Betriebsweise der Versuchsanlagen und der gegebenen Leistungsfähig-

keit von Membranen, ergaben sich weitere Schwerpunkte, die im Rahmen dieses For-

schungsvorhabens untersucht werden konnten, die aber nicht im unmittelbaren Zu-

sammenhang mit dem Ausbau der Kläranlage Immenstaad zu sehen sind:

• Anreicherung von Schwermetallen bzw. von organischen Schadstoffen in den

Membrananlagen (Auswirkungen auf den Klärschlamm),

• Entkeimungswirkung der Membranfiltration bei direkter Abtrennung von belebtem

Schlamm,

• erhöhter Abbau oder Anreicherung von umweltrelevanten Problemstoffen wie Arz-

neimittel oder endokriner Stoffe,

• Anreicherung von nicht membrangängigen und eventuell membranschädigenden

Abwasserinhaltsstoffen (z.B. Polyelektrolyte).

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 3 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

1.3 Aktuelle Situation auf der Kläranlage Immenstaad

Die Versuche zum Einsatz der Membrantechnologie bei variablen Zulaufverhältnissen

wurden auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes Lipbach-Bodensee

durchgeführt. Die Kläranlage ist nur für eine Kohlenstoffelimination ausgebaut. Phos-

phor wird durch Simultanfällung entfernt, wobei Ablaufkonzentrationen kleiner 1,0 mg/l

eingehalten werden können. Eine gezielte Stickstoffelimination ist bisher noch nicht

möglich. Die Kläranlage besteht im wesentlichen aus:

Mechanische Stufe

• Rechenanlage (Spaltweite 20 mm)

• belüfteter Sand- und Fettfang (ca. 17 min Aufenthaltszeit für Qt)

• Vorklärung ∅ 24,70 m (WT = 1,78 m; V = 850 m³; 1,2 h Aufenthaltszeit für Qt)

Biologische Stufe

• 4 Belebungsbecken mit Oberflächenbelüftung (WT = 2,80 m; VBB = 4 x 390 =

1.560 m³)

Nachklärung

• 2 runde Nachklärbecken ∅ 35 m (ANKB = 2 x 962 = 1.924 m²; VNKB = 2 x 2150 =

4300 m³)

Faulung

• 1 Faulbehälter (V = 1.200 m³)

Für den Ablauf der Kläranlage wurden von der Überwachungsbehörde folgende Einlei-

tungswerte (Tab. 1.1) festgesetzt:

Tab. 1.1 Zusammenstellung der Einleitungswerte

Parameter 24h-Mischprobe qualifizierte Stichprobe

Abwasser-temperatur

Ammoniumstickstoff < 5 mg/l < 5 mg/l für T > 12 °C

anorganischer Stickstoff < 18 mg/l < 18 mg/l für T > 12 °C

Phosphor gesamt < 0,3 mg/l < 1 mg/l

Chemischer Sauerstoffbedarf < 60 mg/l < 90 mg/l

Abfiltrierbare Stoffe < 5,0 mg/l < 5,0 mg/l

Page 13: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 4 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Zur Einhaltung dieser festgesetzten Einleitungswerte muß die Kläranlage Immenstaad

erheblich umgebaut und erweitert werden. Hierzu wurde von der SAG eine Entwurfs-

und Genehmigungsplanung angefertigt. Die wesentlichen Elemente der Ausbaupla-

nung sind:

• Aufstockung und Umbau der vorhandenen Belebungsbecken (mit Oberflächenbe-

lüftung) zu Denitrifikationsbecken,

• Neubau von Nitrifikationsbecken,

• Aufstockung und Erweiterung der Nachklärung,

• nachgeschaltete Flockungsfiltration.

Die der Ausbauplanung zugrunde gelegten Belastungsgrößen sind in der folgenden

Tabelle zusammengefaßt.

Tab. 1.2 Zusammenstellung der Belastungswerte für den Ausbau der KA Im-menstaad

Hydraulik Frachten

Einwohnerwerte 40.000 EW BSB5 2.200 kg/d

Schmutzwasserzufluß Qs 160 l/s Nges 550 kg/d

Fremdwasserzufluß Qf 30 l/s Pges 80 kg/d

max. Trockenwetterzufluß 190 l/s TS0 1.650 kg/d

max. Mischwasserzufluß Qm 350 l/s

täglicher Zufluß Q24 10.650 m3/d

Alternativ zu einem konventionellen Umbau bot sich der Einsatz der Membrantechnolo-

gie auf dieser Kläranlage an. Auf einen Neubau der Nitrifikationsbecken, einer Aufsto-

ckung und Erweiterung der Nachklärung sowie auf den Neubau der Sandfiltration könn-

te dann verzichtet werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 5 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

2 Grundlagen des Belebungsverfahrens

2.1 Allgemeines zum Belebungsverfahren

Grundlage aller weiteren Betrachtungen zum Ersatz der Nachklärung durch Membran-

filtration ist das Belebungsverfahren. In seiner einfachsten Form ist das Belebungsver-

fahren wie in Abb. 2.1 gezeigt, aufgebaut.

Vor-klärung

Belebungs-becken

Nach-klärung

Pumpe

Überschuß-schlamm

Rücklaufschlamm

Schlamm-behandlung

Zulauf Ablauf

Luft

Abb. 2.1 Schematische Darstellung des Belebungsverfahrens

Zentraler Bestandteil des Belebungsverfahrens ist das Belebungsbecken. Hier werden

die im Abwasser enthaltenen Schmutzstoffe von suspendierten, flockenbildenden, ae-

roben Mikroorganismen abgebaut. Die Sauerstoffversorgung wird durch Einblasen von

Luft gewährleistet. In der Nachklärung erfolgt die Trennung des belebten Schlammes

durch Sedimentation. Aufgrund der größeren Dichte im Vergleich zu Wasser sinken die

Flocken zu Boden und werden mit dem Rücklaufschlamm wieder in das Belebungsbe-

cken zurückgeführt. Zugewachsener Schlamm wird als Überschußschlamm aus dem

System entfernt. Aufgrund der Sedimentationseigenschaften des belebten Schlammes

und den hydraulischen Randbedingungen in der Nachklärung können mit diesem Sys-

tem maximale Trockensubstanzgehalte in der Belebung von ca. 5 g/l erzielt werden.

2.2 Ersatz der Nachklärung durch Membranen- Membranbelebungsanlage

Der Einsatz der hier beschriebenen Membrantechnologie hat primär die Aufgabe, die

Nachklärung als Trennstufe für Fest/Flüssig zu ersetzen. Anstelle einer Abtrennung des

belebten Schlammes vom gereinigten Abwasser durch Sedimentation in den Nachklär-

becken, welche insbesondere von nicht kontrollierbaren Parametern wie z.B. dem Ab-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 6 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

setzverhalten der Schlämme abhängt, steht die definierte Rückhaltung aller suspendier-

ter Partikel durch Membranen (siehe Abb. 2.2). Der Porendurchmesser der Membranen

gibt demnach die Trenngüte an. Diese Verfahrenskombination wird als Membranbele-

bungsverfahren bezeichnet.

Vor-klärung

Belebungsbecken

Überschuß-schlamm

Schlamm-behandlung

Zulauf

Ablauf

LuftMembranen

Abb. 2.2 Ersatz der Nachklärung durch Membranen

Das Belebungsverfahren bleibt in seiner Grundfunktion bestehen. Der Abbau der Ab-

wasserinhaltsstoffe erfolgt weiterhin durch suspendierte Mikroorganismen. Allerdings

wird sich eine Populationsverschiebung einstellen, da der Selektionsdruck zur Ausbil-

dung von Flocken - aufgrund der Abtrennung mit Membranen - nicht mehr besteht.

2.3 Nachteile von konventionellen Belebungsanlagen und Leistungsumfang

der Membranfiltration

Aufgrund der Absetzeigenschaften des Schlammes und den hydraulischen Randbedin-

gungen im Nachklärbecken können im Belebungsbecken in der Regel nicht mehr als 5

g/l Trockensubstanzgehalt erzielt werden. Kapazitätserweiterungen sind nur durch Ver-

größerung der Belebungsbecken möglich.

Auch bei sehr gut funktionierenden Nachklärbecken gelangen Schwebstoffe in den Ab-

lauf der Kläranlage. Diese Schwebstoffe verschlechtern die Reinigungsleistung der An-

lage erheblich. Am Beispiel von Pges bedeutet dies, daß nur 10 mg/l an abfiltrierbaren

Stoffen im Ablauf der Kläranlage enthalten sein dürfen (Pges = 0 mg/l in der gelösten

Phase) um den Grenzwert der Bodenseerichtlinie von 0,3 mg/l nicht zu überschreiten.

Die Kläranlage reduziert zwar die Keimzahl des Abwassers erheblich, jedoch ist im Ab-

lauf der Nachklärung noch eine Keimbelastung zu verzeichnen. Hieraus kann eine Ge-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 7 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

fährdung der menschlichen Gesundheit durch Krankheitserreger entstehen. Eine voll-

ständige Elimination der Keime und damit auch der potentiellen Krankheitserreger ist

zwar noch nicht vorgeschrieben, in bestimmten Situationen aber erwünscht.

Diese Nachteile einer konventionellen Belebungsanlage mit Nachklärbecken können

durch weitergehende Verfahrensschritte und/oder vergrößerten Belebungsbecken be-

hoben werden. Wie später noch dargestellt wird, kann alternativ die Membranfiltration

eingesetzt werden. Aufgrund der definierten Trennwirkung der Membranen können

dann folgende Ausbaustufen oder Prozeßschritte entfallen:

• Erweiterung Belebung

• Nachklärung

• Sandfiltration (Flockungsfiltration)

• Desinfektion (z.B. durch UV-Oxidation)

Der maximale Leistungsumfang der Membranfiltration ist in der folgenden Abbildung

dargestellt.

Belebung Nach-klärung

vorgeklärtesAbwasser

Sand-filtration

Des-infektion

Er-weiterung

vorgeklärtesAbwasser

Belebung mit Membranfiltration

Abb. 2.3 Leistungsumfang der Membranfiltration

2.4 Kläranlagenzufluß und hydraulische Flexibilität

Kommunale Abwasserbehandlungsanlagen sind stark variablen hydraulischen Belas-

tungen ausgesetzt. Die Zulaufschwankungen auf einer Kläranlage resultieren aus den

tageszeitlichen Schwankungen des Schmutzwasseranfalles (Qs) im Siedlungsgebiet,

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 8 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

dem Fremdwasserzufluß (Qf) und - bei Entwässerung mit Mischkanalisationen - aus

abfließendem Niederschlagswasser. Für die hydraulische Bemessung des Gesamtsys-

tems ist der maximale Zufluß bei Regen maßgebend.

Ausgangspunkt für die hydraulische Bemessung einer Anlage ist der an Trockenwetter-

tagen (ausgenommen Tage mit Niederschlag und jeweils ein Tag Regennachlauf) in 85

% der Fälle unterschrittene Wert des Tageszuflusses (= Qt = Qs+Qf). Bei Regen wird

die Anlage mit Qm = 2 Qs + Qf beschickt. Dauer und Häufigkeit der maximalen Zulauf-

verhältnisse hängen von den Niederschlägen und der bestehenden Mischwasserbe-

handlung im Einzugsgebiet ab.

Von besonderer Bedeutung für die hydraulische Leistungsfähigkeit einer Anlage ist die

extreme Variation zwischen minimalem und maximalem Zufluß sowie die Geschwindig-

keit der Zuflußveränderung. Die maximalen Zuflüsse bei Regen können dabei mehr als

das Zehnfache der minimalen Zuflüsse in den Nachtstunden betragen. Die Zunahme

des Zulaufvolumenstromes kann sehr schnell erfolgen, ist aber sehr von der Ausdeh-

nung und Topographie des Einzugsgebietes abhängig. Es ist damit zu rechnen, daß

innerhalb von 30 Minuten der Zufluß vom minimalen auf den maximalen Wert ansteigt.

Wird nicht davon ausgegangen, daß Speicherbecken zur Verfügung stehen, so muß

die gesamte Anlage und insbesondere die Trennstufe für Fest/Flüssig diese Flexibilität

aufweisen. Am Beispiel der Kläranlage Immenstaad errechnet sich die erforderliche

Flexibilität (Ausbauzustand) zu:

²h/³m2333²s/l18,0s1800

s/l30350tV

dtV ==−=

∆∆≅

••

Gl. 1

Die Berechnung der erforderlichen Oberfläche von Nachklärbecken errechnet sich aus

der zulässige Schlammvolumenbeschickung. Für konventionelle Belebungsanlagen

Anlagen kann bei einem Trockensubstanzgehalt von 4 g/l, einem Schlammindex von

100 ml/g und einer zulässigen Schlammvolumenbeschickung von qSV<450 l/(m²⋅h) für

horizontal durchströmte Rundbecken mit einer maximalen Oberflächenbeschickung von

qA = 1 m/h = 1000 l/(m2⋅h) gerechnet werden. Die Flexibilität von konventionellen Nach-

klärbecken gegenüber Zulaufschwankungen, die sich dadurch ausdrückt, daß es zu

keinen Schlammaufwirbelungen mit unerwünschtem Schlammabtrieb kommt, hängt im

wesentlichen von der optimalen Konstruktion der Zulauf- und Ablaufbereiche ab und

kann in der Regel sicher erreicht werden. Für Membranen zur Abtrennung der belebtes

Schlammes steht dieser Nachweis noch aus. Während bei der Bemessung von Nach-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 9 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

klärbecken die Temperatur keine Rolle spielt, ist bei Membranen die hydraulische Leis-

tung von der Abwassertemperatur abhängig. Dies ist bei der Angabe von Bemessungs-

flüssen zu beachten (siehe Kapitel 3.8).

2.5 Überschußschlammproduktion und Schlammalter

Unabhängig von der Wahl der Trennstufe vollzieht sich die biologische Reinigung

grundsätzlich nach dem selben Schema: der Abbau von Schmutzstoffen erfolgt durch

den Aufbau von Biomasse.

Unter dem Begriff der Überschußschlammproduktion wird bei der biologischen Reini-

gung von Abwasser die gesamte Zunahme an Feststoffen zusammengefaßt. Die Über-

schußschlammproduktion beinhaltet:

• anorganische und nicht hydrolisierbare organische Feststoffe des Zulaufs,

• Bakterienmasse aus dem Kohlenstoff- und Stickstoffabbau,

• abgestorbene Bakterienmasse bzw. nicht hydrolisierbare Bakterienreste,

• zusätzlich bei Simultanfällung: Fällschlamm.

Die Überschußschlammmproduktion ist von entscheidendem Einfluß auf die Bemes-

sung von Belebungsanlagen. Aus dem Verhältnis von Feststoffmasse im System zur

täglichen Überschußschlammproduktion errechnet sich das für die Bemessung maß-

gebende Schlammalter:

]d[ÜS

TSVuktionchlammprodÜberschußstägliche

SystemimasseFeststoffmt

d

BBBBTS

⋅== Gl. 2

Bei Belebungsanlagen zur kommunalen Abwassereinigung wird die Über-

schußschlammproduktion nach folgender Gleichung berechnet (vgl. ATV Arbeitsblatt

A131):

]kgBSB/kgTS[F08,0t/1

F6,0072,01

BSBTS

6,0ÜS 5TS5

05BSB ⋅+

⋅⋅−

+⋅= Gl. 3

mit F = 1,072(T-15)

Die spezifische Überschußschlammproduktion (Ertragswert) ÜSBSB5 hängt maßgebend

vom Schlammalter, dem Verhältnis von TS0/BSB5 im Zulauf und von der Temperatur

ab. Die Berechnung der spezifischen Überschußschlammproduktion in Abhängigkeit

des Schlammalters (4 bis 24 Tage) ist in Abb. 2.4 dargestellt. Um die maximale Band-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 10 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

breite aufzuzeigen, wurde die Berechnung mit einem TS0/BSB5 - Zulaufverhältnis von

1,2 und 0,4 bei Temperaturen von 10 und 25°C durchgeführt.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Schlammalter [d]

spez

. ÜS

-Pro

dukt

ion

[kgT

S/k

gBS

B5]

TSo/BSB5 = 1,2; T = 10 °C

TSo/BSB5 = 0,4; T = 25 °C

Abb. 2.4 Spez. ÜS-Produktion in Abhängigkeit des Schlammalters (ATV A131)

Bei Membranbelebungsanlagen ist es möglich, den Trockensubstanzgehalt in einen

weiten Bereich zu variieren. Damit bietet sich die Möglichkeit, produzierten Über-

schußschlamm im System zu speichern. Dies ist bei der Bilanzierung der Über-

schußschlammproduktion zu berücksichtigen.

2.6 Energieeinsatz auf kommunalen Kläranlagen

Bei konventionellen Belebungsanlagen nehmen die Energiekosten einen Anteil von

durchschnittlich einem Drittel an den gesamten Betriebs- und Instandhaltungskosten

ein.

In Abb. 2.5 ist der Energiebedarf verschiedener Verfahrensstufen einer konventionellen,

einstufigen Belebungsanlage aufgezeigt (Bohn, 1993). Nachklärung und Belebung, die

im Zusammenhang mit diesem Forschungsvorhaben von Bedeutung sind, verbrauchen

über 80 % des Stroms auf kommunalen Kläranlagen. Der Stromverbrauch für diese

beiden Verfahrensstufen kann zu ca. 0,3 bis 0,5 kWh/m³ abgeschätzt werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 11 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Nachklärung 7,6%

Belebung73,0%

Faulung6,2%

Entwässerung 2,2%

bel. Sandfang6,1%Rechen, Sieb

1,2%

Eindicker2,5%

Vorklärung1%

Abb. 2.5 Energieeinsatz auf Kläranlagen (nach Bohn, 1993)

Bei Anlagen mit dem Reinigungsziel Nitrifikation/Denitrifikation bestimmt der Energie-

einsatz für die Belüftung nahezu vollkommen den Energieeinsatz für die Belebung und

damit auch den Energieeinsatz auf der gesamten Anlage.

Eine Veränderung des Sauerstoffzufuhrvermögens wird die größten Auswirkungen

beim Energiebedarf haben und ist deswegen gesondert zu untersuchen. Im folgenden

Abschnitt wird daher auf die grundlegenden Zusammenhänge zum Sauerstoffeintrag

eingegangen.

2.7 Sauerstoffzufuhr

2.7.1 Grundlagen

Die hier beschriebenen Grundlagen sind den Ausführungen von Pöpel (1986) entnom-

men.

Der Stofftransport im System gasförmig/flüssig ist proportional dem Sättigungsdefizit:

)cc(akdtdc

SL −⋅= Gl. 4

Der Belüftungskoeffizient kLa wird in der Regel aus Sauerstoffeintragsversuchen be-

stimmt (siehe Definition in 2.7.3). Theoretisch kann der Belüftungskoeffizient mit folgen-

der Gleichung berechnet werden:

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 12 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

VA

tD

akK

L ⋅⋅π

=2 Gl. 5

Mit diesem formellen Zusammenhang läßt sich der Belüftungskoeffizient nicht praktisch

berechnen. Es können aber die verschiedenen Einflußgrößen analysiert werden, die

den Sauerstoffeintrag maßgeblich beeinflussen. Demnach ist festzustellen, daß nur

über die Grenzfläche A und die mittlere Existenzdauer tK der Belüftungskoeffizient be-

einflußt werden kann.

Grenzfläche A:

Bei der Druckluftbelüftung ist dies die Summe der Grenzflächen aller im Becken vor-

handener Blasen und des Wasserspiegels. Bei der Oberflächenbelüftung ist dies neben

dem Wasserspiegel die Grenzfläche des in der Luft verwirbelten Wassers und der mit

dem eintauchenden Wasserstrahl ins Wasser eingebrachten Luft.

Für Druckluftbelüftungssysteme ist die Grenzfläche

proportional zur eingeblasenen Luftmenge QL

umgekehrt proportional zum Blasendurchmesser DB

zur Aufenthaltszeit tB der Blasen im Becken

Die Zeit tB wird aus der Einblastiefe und der Steiggeschwindigkeit der Blasen im Be-

cken bestimmt.

Bei Oberflächenbelüftungssystemen ist die Größe der Grenzfläche schwieriger abzu-

schätzen. Die verwirbelte Wassermenge nimmt mit zunehmendem Energieeintrag zu,

ebenso die dadurch örtlich intensivierte Abwärtsströmung, die entsprechend mehr Bla-

sengrenzfläche im Becken zurückhält. Auch die Wasserspiegelgrenzfläche wird stärker

aufgerauht und damit größer

Grenzflächenerneuerung

Je schneller die Grenzfläche Wasser/Luft erneuert wird, desto schneller werden die in

der wasserseitigen Grenzschicht durch Diffusion aufgenommenen geringen Sauer-

stoffmengen in den Wasserkörper transportiert und die erneuerte, sauerstoffarme

Grenzschicht kann erneut mit Sauerstoff angereichert werden. Je schneller dieser Vor-

gang abläuft, desto höher ist der Sauerstoffeintrag. Aus dem Grundmechanismus die-

ses Vorganges wird zudem deutlich, daß es nur auf die Erneuerung der wasserseitigen

und nicht der luftseitigen Grenzschicht ankommt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 13 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei der Druckluftbelüftung kann die Grenzflächenerneuerung abgeschätzt werden.

Hierbei wird angenommen, daß eine Blase von 3 mm Durchmesser ihre Grenzfläche

nach einem Weg von 3 mm erneuert hat. Bei einer Blasengeschwindigkeit von 0,3 m/s

beträgt tK = 3 ⋅10-3/0,3 = 0,01 s, die Grenzfläche wird 100 mal je Sekunde erneuert.

Bei der Oberflächenbelüftung kann die Grenzflächenerneuerung aus der „Flugzeit“ in

die Luft geworfener Wasserpakete ermittelt werden. Für eine Wurfhöhe von z.B. 0,5 m

ergibt sich:

s,gH

tK 6408 == Gl. 6

Dies ist 64 mal so lang wie im Beispiel der Druckluftbelüftung und wirkt sich extrem un-

günstig auf den Sauerstofftransport aus.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Geschwindigkeit des Sauerstoff-

eintrages im wesentlichen von fünf Faktoren abhängt:

• Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken,

• Sauerstoffgehalt der Luft bzw. der Gasmischung, mit der belüftet wird (insbesondere

interessant bei Sauerstoffbegasung),

• Größe der geschaffenen Grenzfläche,

• Strömungsverhältnisse im Belebungsbecken, soweit sie die Größe der Grenzflä-

chen beeinflussen,

• Erneuerungsgeschwindigkeit der wasserseitigen Grenzfläche.

2.7.2 Energiebedarf der Sauerstoffzufuhr

Aufgrund der großen Bedeutung des Energieeinsatzes für die Belüftung werden in die-

sem Abschnitt die Grundlagen zusammengefaßt (vgl. Pöpel, 1985).

Im allgemeinen wird die bei der Belüftung eingesetzte Energie zur Schaffung von

Grenzflächen zwischen Wasser und Luft angewendet. Wie schon beschrieben, können

Grenzflächen durch die Verteilung von Luft in Wasser oder durch die Verteilung von

Wasser in Luft geschaffen werden. Bei beiden Arten setzt sich der Energiebedarf aus

jeweils drei Arten zusammen:

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 14 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

1. Überwindung der Schwerkraft

Zum Einbringen von Luft in Wasser oder von Wasser in Luft muß Arbeit zur Erhöhung

der potentiellen Energie aufgewendet werden.

)(HVE LWH ρ−ρ⋅⋅= Gl. 7

Demnach ist für das Einbringen von Luft (Wasser) auf 1 m Tiefe (Höhe) 2,72 Wh/m³⋅m

erforderlich (Wirkungsgrad nicht berücksichtigt).

2. Überwindung der Grenzflächenspannung

Das eingebrachte Wasser- bzw. Luftvolumen muß zur Vergrößerung der Grenzfläche in

möglichst kleine Elemente aufgeteilt werden. Dabei ist die Überwindung der Grenzflä-

chenspannung σ notwendig. Die hierfür aufzubringende Energie beträgt:

σ⋅= AEA Gl. 8

Wird zum Beispiel 1 m³ Luft (Wasser) in Blasen (Tropfen) von 4 mm zerteilt

(1500 m²/m³), dann sind hierfür 0,11 kJ/m³ =0,031 Wh/m³ nötig (bei einer Oberflächen-

spannung für belebten Schlamm von 0,06 J/m²). Dieser Anteil an der gesamten Belüf-

tungsenergie kann vernachlässigt werden.

3. Energieverluste

Bei der elektro-mechanischen Umsetzung der Primärenergie in Belüftungsenergie tre-

ten Verluste auf, die bei Druckluftbelüftungen noch durch Reibungsverluste in Luftfiltern,

Luftleitungen und Belüftungselementen erhöht werden.

Das Einbringen von Luft erfordert erfahrungsgemäß ca. 5,5 Wh/(m³Luft⋅mSteighöhe). Bei

einem berechneten Nettoaufwand von 2,72 Wh/(m³⋅m) ergibt sich für die Druckluftbelüf-

tung ein Wirkungsgrad von 50 %. Bei der mechanischen Belüftung kann für Elektromo-

tor und Getriebe bzw. Pumpe ein Wirkungsgrad von 70 % angesetzt werden.

2.7.3 Begriffsdefinitionen

Die im folgenden aufgeführten Begriffsdefinitionen sind dem ATV Merkblatt M 209 ent-

nommen und für die hier interessierenden Belange (Sauerstoffzufuhr in belebtem

Schlamm) zusammengestellt.

• Sauerstoffzufuhr in belebtem Schlamm αOC [kg/h]

αOC ist die Masse an Sauerstoff, die von einer Belüftungseinrichtung beim Sauerstoff-

gehalt von 0 mg/l, bei einer Wassertemperatur von 20 °C und atmosphärischem Nor-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 15 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

maldruck (1013 hPa) in einer Stunde in einem mit belebtem Schlamm gefüllten Becken

bestimmter Größe gelöst wird.

⋅β⋅α⋅

=αhkg

1000

cakVOC 20,S20L Gl. 9

• Sauerstoffertrag in belebtem Schlamm αOP [kg/kWh]

αOP ist die Sauerstoffzufuhr im belebten Schlamm dividiert durch die Leistungsauf-

nahme P [kW] der Belüftungseinrichtung einschließlich zugehöriger Mischeinrichtun-

gen.

α=αkWhkg

POC

OP Gl. 10

• spezifische Sauerstoffzufuhr αOCL,h [g/m³N/m] und Sauerstoffausnutzung αOA

[%/m]

Die spezifische Sauerstoffzufuhr bzw. die spezifische Sauerstoffausnutzung sind Be-

zugswerte, die zum Vergleich von Druckluft-Belüftungssystemen herangezogen wer-

den. Nach vielen Untersuchungen sind die beiden Werte unabhängig von der Einblas-

tiefe (bis zu 6 bis 8 m). Mit QL [m³N/h] (angesaugte trockene Luft bei 0°C und 1013 hPa)

und der Dichte von Sauerstoff mit 0,299 kg/m³:

⋅⋅

α=αmm

g1000

hQOC

OC3NEL

h,L Gl. 11

⋅⋅α⋅=α

m%

)299,0Q(hOC100

OALE

h Gl. 12

• Belüftungskoeffizient αkLa

Der Belüftungskoeffizient ist der maßgebende Kennwert für die in einem Becken auf

eine bestimmte Leistung eingestellte Belüftungseinrichtung. Er wird aus Sauerstoffzu-

fuhrversuchen bei einer Wassertemperatur T [°C] bestimmt. Bei gleicher Belüftungsein-

stellung steigt αkLa mit steigender Temperatur. Der für eine Temperatur von 20 °C

normierte Belüftungskoeffizient αkLa20 ergibt sich zu:

⋅α=α −

h1

024,1akak )T20(TL20L Gl. 13

• α -Wert (Grenzflächenfaktor) [-]

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 16 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Durch verschiedenen Abwasserinhaltsstoffe, vorrangig grenzflächenaktive Stoffe, wird

bei sonst gleichen Bedingungen kLa im Abwasser bzw. im belebten Schlamm meist

kleiner als in Reinwasser. Zum Vergleich dient der α-Wert:

[ ]−=αinwasserReinak

Schlammbelebteminak

20L

20L Gl. 14

Beide kLa-Werte müssen dabei im gleichen Becken mit der gleichen Belüftungseinrich-

tung und mit gleicher Belüftungsintensität bestimmt werden, weil α nicht nur von der

Abwasserbeschaffenheit, sondern in stärkerem Maße vom Belüftungssystem abhängt.

• Sauerstoffsättigungswert cS,T [mg/l]

Der Sauerstoffsättigungswert stellt sich in einem Becken bei konstanter Belüftung ein.

Für Oberflächenbelüftungssysteme kann näherungsweise die Standard-Sauerstoff-

sättigung CS,20 von 9,1 mg/l angenommen werden:

Bei der Druckbelüftung wird durch den Überdruck bei der Einblastiefe (hE) eine Über-

sättigung erreicht. Der Sättigungswert kann vereinfacht berechnet werden zu:

lmg

),

h(,c E

,S 72011920 +⋅= Gl. 15

• β-Wert (Salzfaktor)

Der Sauerstoffsättigungswert wird durch Neutralsalze verringert. Im allgemeinen kann

für kommunales Abwasser mit β = 1,0 gerechnet werden.

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3 Membranen und Membranverfahren

3.1 Definition Membran und Membrantrennprozeß

Eine Membran ist ein flächenhaftes Gebilde (membrana (lat.) = Häutchen), das zwei

Phasen voneinander trennt und für bestimmte Stoffe oder Stoffgruppen durchlässig ist.

Nach dem heutigen Verständnis ist eine Membran immer eine Haut mit semipermeab-

ler Funktion. Der Stofftransport durch Membranen ist selektiv.

Im Gegensatz zu den aktiven Membranen in der belebten Natur sind die in technischen

Prozessen eingesetzten synthetischen Membranen passiv. Dies bedeutet, daß der

Stofftransport an eine von außen aufgeprägte treibende Kraft gebunden ist. Die Art der

treibenden Kraft sowie die Eigenschaften und Wirkungsmechanismen der Membran

bestimmen das Membranverfahren.

Bei Membrantrennprozessen handelt es sich um rein physikalische Trennverfahren. Die

Ausgangsstoffe werden in ihrer Form oder Zusammensetzung nicht verändert.

3.2 Membranmaterialien und Membranstrukturen

Entsprechend den chemisch-physikalischen Randbedingungen bei der Stofftrennung

mit Membranen (pH-Wert, Temperatur, Druck usw.) werden die unterschiedlichsten

Materialien für Membranen eingesetzt. Es handelt sich hierbei hauptsächlich um:

• abgewandelte Naturprodukte

Celluloseacetat, Celluloseregenerat, Cellulosenitrat

• synthetische Produkte

Polyamide, Polysulfon, Vinylpolymere, Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Po-

lypropylen

• Sonderwerkstoffe

poröses Glas, Graphitoxid, Keramik, Metall

Durch die unterschiedlichen Herstellungsverfahren entstehen verschiedene Membran-

strukturen. Symmetrische Membranen besitzen eine homogene Porengröße bzw. Po-

renquerschnitt über die Dicke der Membran. Bei asymmetrischen Membranen ist die

Porenstruktur ungleichmäßig über den Querschnitt der Membran verteilt. Die kleinen

Poren sind der zu filtrierenden Suspension zugewandt und vergrößern sich zur Per-

meatseite. Zusammengesetzte oder Composite-Membranen bestehen aus zwei (oder

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 18 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

mehreren) Schichten, die sich in ihrer Struktur unterscheiden. In den meisten Fällen

übernimmt die Oberschicht die Trennwirkung und die untere Schicht die Stützfunktion

(Abb. 3.1).

Abb. 3.1 Schematische Darstellung verschiedener Membranstrukturen

3.3 Überblick Membrantrennprozesse

Aus den unterschiedlichsten Anforderungen an die Stofftrennung ist eine Vielzahl von

Membranverfahren entstanden. Die Unterteilung der verschiedenen Verfahren erfolgt

nach:

• der treibenden Kraft für den Filtrationsvorgang,

• dem Typ der eingesetzten Membran,

• der Art der abzutrennenden Stoffe.

In der folgenden Tabelle ist der Umfang der Membrantrennprozesse auszugsweise

dargestellt. Im Zusammenhang mit diesem Forschungsvorhaben ist nur die Mikro- und

Ultrafiltration mit dem Ziel, partikuläre Stoffe zurück zu halten, von Interesse. Auf ande-

re Prozesse wird hier nicht näher eingegangen, zur Übersicht aber teilweise mit aufge-

führt.

Tab. 3.1 Überblick Membrantrennprozesse (Chmiel, 1995, Auszug)

Membran-trennprozeß

Treibende Kraft Typ der eingesetzten Membran

Anwendung

Mikrofiltration Hydrostatische Druckdifferenz

Symmetrische oder a-symmetrische Poren-membran

Abtrennung von suspendierten Stoffen

Ultrafiltration Hydrostatische Druckdifferenz

Asymmetrische Poren-membran

Konzentrierung, Fraktionierung und Reinigung von makromo-lekularen Lösungen

Nanofiltration Hydrostatische Druckdifferenz

Löslichkeitsmembran Trennung organischer und anorganischer Stoffe

Umkehrosmo-se

Hydrostatische Druckdifferenz

Löslichkeitsmembran Konzentrierung von Stoffen mit niedriger Molekülmasse

Dialyse Konzentrations- differenz

Symmetrische Poren-membran

Abtrennung von Stoffen mit niedriger Molmasse

Elektrodialyse Elektrische Potentialdifferenz

Ionenaustauscher-membran

Entsalzung und Entsäuerung von Lösungen mit neutralen Stoffen geringer Molmasse

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3.4 Trenngrenzen und Membranverfahren

Für die Auswahl eines bestimmten Membranverfahrens ist es zuerst notwendig, die

„Aufgabenverteilung“ in der kommunalen Abwasserreinigung deutlich abzugrenzen:

• die erforderliche Reinigungsleistung (Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifika-

tion) wird von Bakterien bewerkstelligt; die Phosphorelimination erfolgt in der Regel

durch Fällung mit Eisensalzen,

• die Trennstufe muß die Reaktionsprodukte (Bakterien und unlösliche, bereits in Flo-

ckenform überführte Fällprodukte) möglichst vollkommen abtrennen.

Die Membranen sind unter diesen Gesichtspunkten nur auf Rückhalt von Bakterien

auszulegen. Hierzu sind Mikrofiltrationsmembranen ausreichend. Die Abgrenzung der

Mikrofiltration zu anderen Membrantrennprozessen und das Spektrum der abzutren-

nenden Stoffe ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

100 µm 10 1 0,1 0,01

1000 nm 100 10 1 0,1 nm

0,001 µm

Sandfiltration

Mikrofiltration

Ultrafiltration

Nanofiltration

UmkehrosmoseHaare noch

sichtbarHämo-globin

kleinsteMikroorganismen

Kinderlähmungs-virus

Pollen Hefen

Bakterien Viren gelöste Salze

Kolloide organ. Verbindungen

organische Makromoleküle

Abb. 3.2 Einteilung Trenngrenzen und Membranverfahren

Membranen zur Abtrennung von belebtem Schlamm oder zum vollständigen Rückhalt

von Schwebstoffen aus dem Ablauf der Nachklärbecken weisen in der Regel Poren-

größen zwischen 0,1 und 0,4 µm auf.

3.5 Verfahrensweisen zur Mikrofiltration

In Abb. 3.3 sind die prinzipiellen Verfahrensweisen zur Mikrofiltration von Suspensionen

dargestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 20 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Dynamische Filtration(Crossflow oder Querstromfiltration)

Zeit

Deckschicht-dicke

Permeatstrom

Suspensions-strom

Deckschicht

Membran

Permeatstrom

Statische Filtration(Dead-end)

Zeit

Deckschicht-dicke

Permeatstrom

Rückspülung

Abb. 3.3 Verfahrensweisen zur Mikrofiltration

Die statische Mikrofiltration (dead-end Filtration) kann mit der klassischen Kuchen-

filtration verglichen werden. Hier ist die Fließrichtung des Flusses orthogonal zur Memb-

ran. Alle Stoffe, die zurückgehalten werden, tragen zur Ausbildung eines Filterkuchens

bei, dessen Dicke proportional zum Gesamtdurchsatz anwächst. Entsprechend dem

anwachsenden Filterkuchen reduziert sich der Permeatstrom. Ein Rücktransportme-

chanismus von Partikeln in die Suspension existiert praktisch nicht. Der abgelagerte

Filterkuchen muß periodisch zurückgespült und entfernt werden. Dieses Verfahren eig-

net sich nur bei Abwässern mit geringen Feststoffkonzentrationen (kleiner 50 mg/l).

Haupteinsatzgebiet bleibt daher die der Nachklärung anschließende Mikrofiltration zur

Entkeimung und/oder zur P-Entfernung. Auf diese Verfahrensweise wird hier nicht wei-

ter eingegangen.

Bei der crossflow-Filtration wird die zu filtrierende Suspension parallel zur Membran-

oberfläche bewegt. Das Permeat läuft dagegen senkrecht zur Membranoberfläche ab.

Die zwei Hauptströmungsrichtungen stehen kreuzweise aufeinander. Durch die Über-

strömung der Membran kann der Deckschichtbildung durch die Ablagerung von Fest-

stoffen auf der Membranoberfläche entgegengewirkt werden; ganz zu vermeiden ist sie

aber nicht. Aufgrund dieser Deckschichtbildung nimmt der anfängliche Filtratvolumen-

strom schnell ab, erreicht aber einen stabilen Endwert.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 21 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

3.6 Begriffsdefinitionen bei der crossflow-Mikrofiltration

Um einen deutliche Abgrenzung der Membranfiltration zur konventionellen Filtration

(Sandfiltration) zu erzielen, wird im Zusammenhang mit dieser Arbeit im Zusammen-

hang mit dem Ablauf der Membranstufe immer von Permeat gesprochen. Auch wenn

der Begriff „Permeat“ in der Fachliteratur oft nur für Lösungs-Diffusions-Membranen

und nicht für Porenmembranen steht, wird in diesem Zusammenhang der Begriff Per-

meat bevorzugt. Es soll damit eine deutliche Abgrenzung des Ablaufs einer Membran-

stufe, die mit Permeat bezeichnet, wird vom Ablauf einer (Sand-) Filtrationsstufe herge-

stellt werden.

In Abb. 3.4 sind die wichtigsten Begriffe für die crossflow-Mikrofiltration grafisch zu-

sammengestellt.

Zulauf(Feed)

Permeat

Retentat

VF

pF

cF VP

pP

cP

VR

pR

cRMembranAM

ÜberströmgeschwindigkeitvÜ

Abb. 3.4 Begriffsdefinitionen bei der crossflow-Mikrofiltration

Der spezifische Permeatvolumenstrom (vP), auch als Fluß bezeichnet, ist die maßge-

bende Größe zur Beschreibung der hydraulischen Leistung eines Membransystems. Er

errechnet sich aus dem Permeatvolumenstrom bezogen auf die Membranfläche.

spezifischer Permeatstrom (Fluß):

⋅=⋅=

h2m

lAV

dtdV

A1

vM

PP

MP Gl. 16

An dieser Stelle kann auch auf die spätere Auswertung verwiesen werden. Der Fluß

errechnet sich aus dem Permeat- bzw. aus dem effektiven Ablaufvolumenstrom. Bei

instationären Verhältnissen kann nur ein mittlerer Fluß angegeben werden. Dieser wird

durch Wahl eines genügend großen Zeitintervalles dt ermittelt.

Die transmembrane Druckdifferenz (∆pTM) ist die treibende Kraft für den Filtrationsvor-

gang. Im allgemeinen wird die transmembrane Druckdifferenz aus dem mittleren Über-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 22 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

druck auf der Suspensionsseite (pF, pR) und dem Druck auf der Permeatseite (pP) ermit-

telt.

transmembrane Druckdifferenz [ ]barp2

ppTMp P

RF −+

=∆ Gl. 17

Unter dem Begriff der hydraulischen Permeabilität wird das Verhältnis aus Permeatvo-

lumenstrom (Fluß) zu transmembraner Druckdifferenz verstanden. Die hydraulische

Permeabilität ist ein wichtiges Maß für die Durchlässigkeit der Membran.

hydraulische Permeabilität [ ]barpv

LTM

PP ∆

= Gl. 18

Auf die Einflußfaktoren der crossflow Mikrofiltration wird im nächsten Kapitel eingegan-

gen.

3.7 Modellvorstellungen zum Stoffaustausch bei der crossflow-Mikrofiltration

Mit einem Modell soll ein mathematisch und physikalisch sinnvoller Zusammenhang

zwischen den wichtigsten Ein- und Ausgangsgrößen eines Prozesses hergestellt wer-

den. Die wichtigste Ausgangsgröße ist hierbei der transmembrane Fluß. Die Einfluß-

größen bei der crossflow-Mikrofiltration sind:

• die transmembrane Druckdifferenz ∆pTM,

• die Geschwindigkeit der Membranüberströmung vÜ bzw. die Turbulenz auf der O-

berfläche der Membran,

• die Geometrie des Strömungskanals,

• die Konzentration der abzutrennenden Stoffe (hier: TS-Gehalt),

• Eigenschaften der abzutrennenden Stoffe (Partikelgröße, Konsistenz),

• Eigenschaften der Flüssigkeit (Viskosität),

• oberflächenaktive Stoffe in Verbindung mit den Oberflächeneigenschaften der

Membran und der Partikel.

Für die Beschreibung der crossflow-Filtration sind zwei Phasen zu unterscheiden. In

einer ersten Phase, der instationären Phase, kommt es zum Aufbau der Deckschicht.

Durch den vollkommenen Rückhalt lagern sich auf der Membran Partikel ab. Gleichzei-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 23 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

tig werden Partikel durch Scherkräfte abgetragen. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein

zwischen deckschichtbildenden Ablagerungs- und deckschichtmindernden Abtra-

gungsvorgängen. Auf diese instationäre Phase wird im weiteren nicht eingegangen.

Von Interesse ist nur die stationäre Phase mit ausgebildeter und konstanter Deck-

schicht.

Um zu einem Modell zur Beschreibung des Stoffaustausches im stationären Zustand zu

gelangen, ist die Situation an der Membranoberfläche detaillierter zu betrachten. Auf-

grund von Wandschubspannungen entwickelt sich ein Geschwindigkeitsprofil mit zur

Membranoberfläche abnehmenden Werten. Die wirkenden Scherkräfte führen zu einer

Reinigung der Membranoberfläche.

RD

RM

∆ptM

∆pM ∆pD

Abb. 3.5. Physikalische Überlegungen zur crossflow-Mikrofiltration

Ein einziges Modell wird niemals in der Lage sein, die entsprechenden Parameter mit-

einander zu verbinden und auch noch zu den experimentellen Daten zu korrelieren.

Dies gilt insbesondere bei dem hier vorliegenden Fall der Abtrennung von belebtem

Schlamm, dessen Eigenschaften sich infolge der Abwasserzusammensetzung ändern

können.

In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellen für die crossflow-Mikrofiltration beschrie-

ben (Ripperger, 1993). Ein einfaches Modell ist das Deckschichtmodell. Es gibt den

Zusammenhang zwischen Permeatfluß und Strömungswiderständen in Membran und

Deckschicht an. Der Widerstand bzw. der Druckabfall entsteht aufgrund der Strömung

durch die Poren der Membran und der Deckschicht (vgl. Rohrströmung, Gesetz von

Hagen-Poiseuille).

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 24 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

⋅+⋅η∆=

h²ml

)RR(p

vDM

TMP Gl. 19

Im weiteren wird der Zusammenhang zwischen Transmembrandruck und Permeatfluß

näher betrachtet (siehe Abb. 3.6). Bei kleinen Druckdifferenzen und entsprechend klei-

nen Flüssen kann davon ausgegangen werden, daß die Dicke der Deckschicht sehr

gering ist. Der Abtragungsmechanismus überwiegt den Anlagerungsmechanismus. Der

Fluß ist der anliegenden Druckdifferenz proportional (vP ~ ∆p). In diesem Bereich

spricht man von einer membrankontrollierten Filtration. Hierbei bestimmen die Eigen-

schaften der Membran (Porosität, Membrandicke) maßgeblich den Fluß.

Bei größeren transmembranen Drücken und entsprechend höheren Flüssen werden

verstärkt Partikel auf der Oberfläche der Membran abgelagert. Bei gleichen Überströ-

mungsbedingungen überwiegt dann der Antransport von Partikeln den Abtransport und

die Deckschichtdicke nimmt zu. Dies hat eine Reduzierung des Flusses zur Folge, bis

wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der Fluß ist von der transmembranen

Druckdifferenz unabhängig und kann nicht mehr gesteigert werden (vP = konstant). Der

Filtrationsvorgang ist deckschichtkontrolliert.

Die Überströmgeschwindigkeit beeinflußt maßgeblich die Größe des konstanten Flus-

ses. Je höher die Überströmgeschwindigkeit gewählt wird, desto größer sind die Scher-

kräfte, die auf abgelagerte Partikel wirken. Der Zustand, bei dem die Anlagerung von

Partikeln den Abtransport überwiegt, wird bei größerer Überströmgeschwindigkeit erst

bei höheren transmembranen Drücken und einem höheren Fluß erreicht.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 25 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

transmembrane Druckdifferenz ∆pTM [bar]

spez

ifisc

her

Per

mea

tfluß

v

3

[l/(

m²h

)]

membran-kontrollierteFiltration

deckschichtkontrollierteFiltration

vP ~ ∆pTM vP = const

vÜ2

vÜ1 vÜ1 < vÜ2

Abb. 3.6 Zusammenhang zwischen Druck und Fluß bei der crossflow-Filtration

Aus dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß zur Erhaltung der hydraulischen Flexibili-

tät des Membransystems bei einer gegebenen, konstanten Überströmgeschwindigkeit

(oder Turbulenz) die transmembrane Druckdifferenz nur im Bereich der membrankon-

trollierten Filtration verändert werden darf. Darüber hinaus gehende Drücke führen nicht

mehr zur Erhöhung des Flusses.

3.8 Temperatureinfluß

Ausgehend vom Deckschichtmodell bestimmen drei temperaturabhängige Parameter

den Fluß:

• Viskosität des Wassers (Permeat!),

• Membranwiderstand (Porosität),

• Deckschichtwiderstand.

Für die Viskosität des Abwassers (des Permeats und nicht des belebten Schlamms!)

wird vereinfacht die Viskosität von Wasser angenommen. Hier gilt der in Abb. 2 darge-

stellte Zusammenhang. Der Einfluß der Temperatur auf die beiden Widerstände kann

nicht angegeben werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 26 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Temperatur in °C

Dyn

. Vis

kosi

tät η

[Pa

s]

Ausgleichsfunktionη =1,78 *e(-0,061*T^0,75)

Abb. 3.7 Zusammenhang zwischen Temperatur und Viskosität für Wasser

In der weiteren Ausarbeitung wird zur Standardisierung mit folgender Viskositätsfunkti-

on gearbeitet:

⋅−⋅=η

75,0T061,0

)T( e78,1 Gl. 20

Die Flüsse und damit auch die hydraulische Permeabilitäten werden entsprechend der

folgenden Gleichung auf eine Temperatur von 10 °C normiert.

3,1e78,1

vvv

75,0T061,0

T,PC10

tT,PC10,P

⋅−

°°

⋅⋅=ηη

⋅= Gl. 21

mit T Temperatur in °C

Ausgehend von diesem Zusammenhang bewirkt eine Erniedrigung der Temperatur von

20 auf 10 °C eine Erhöhung der Viskosität von 1,0 auf 1,3 Pa⋅s und entsprechend eine

Verringerung des Flusses um den Faktor 1/1,3 = 0,77. Die bedeutet, daß bei sonst glei-

chen Randbedingungen die 1,3-fache Membranfläche benötigt wird, um den Anlagen-

durchsatz konstant zu halten.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 27 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

3.9 Module zur crossflow-Mikrofiltration

Zur Umsetzung der Membrantechnologie in eine verfahrenstechnische Lösung müssen

die Membranen entsprechend den Anforderungen konfiguriert werden. Üblicherweise

werden folgende Module zur Abtrennung von belebtem Schlamm eingesetzt:

• Rohrmodule,

• Plattenmodule,

• Hohlfasermodule.

Die Modulkonfigurationen sind schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt. Die

Beschreibung erfolgt im Hinblick auf das Forschungsvorhaben und ist nicht Allgemein-

gültig.

Plattenmodul Hohlfasermodul

Stützplatte

Membran

bis zu 100 Platten über 1000Fasern

Rohrmodul

Membran

Stützrohr

Permeat

Membranca. 3 mm

6 bis 25 mm

ca. 8 - 10 mm

bis zu 125 Einzelrohre

Luft/Flüssigkeit Luft/Flüssigkeit

Flüssigkeit

PermeatPermeat

Abb. 3.8 Schematische Darstellung verschiedener Modulformen

Rohrmodule bestehen aus Membranschläuchen mit einem Innendurchmesser von 6 bis

24 mm. Da die Schläuche selbst nicht druckfest sind, ist ein Stützrohr zur Aufnahme

des Druckes erforderlich. Die Filtration erfolgt von innen nach außen. Mehrere Einzel-

rohre können in einem Modulrohr zusammengefaßt werden. Der crossflow wird durch

einen - üblicherweise von einer Pumpe erzeugten - Flüssigkeitsstrom geschaffen.

Plattenmodule bestehen aus parallel mit einem Abstand von ca. 8 bis 10 mm angeord-

neten Platten. Die Membranplatten sind aus einer Stützplatte mit Drainageeinrichtung

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 28 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

und beidseitig aufgebrachten Flachmembranen zusammengesetzt. Der Permeatabzug

erfolgt an einer Stelle der Platte über eine Anschlußleitung.

Hohlfasermodule bestehen aus druckfesten, selbsttragenden Membranschläuchen mit

einem Innendurchmesser von 1 bis 1,5 mm und einem Außendurchmesser von 2 bis 3

mm. Die einzelnen Fasern sind an beiden Enden in Permeatsammelleitungen einge-

klebt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 29 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

4 Aufbau der Versuchsanlagen

4.1 Auswahl der Systeme

Ausgehend von einer Angebotsanfrage der SAG wurde Ende 1996 die Firma WABAG,

Wassertechnische Anlagen GmbH & Co. KG, Kulmbach, zur Erstellung einer Ver-

suchsanlage mit Plattenmembranen (System WABAG) und die Firma Zenon GmbH,

Düsseldorf, zur Erstellung einer Versuchsanlage mit Hohlfasermembranen (System

ZENON) beauftragt. Im August 1997 erfolgte die Beauftragung der Firma Berghof Filtra-

tions- und Anlagentechnik GmbH & Co. KG, Eningen, zur Erstellung einer Anlage mit

Rohrmembranen (System BERGHOF).

4.2 Zielvorgaben und Gesamtkonzeption

Die Versuchsanlagen wurden hinsichtlich der Anforderungen an den zukünftigen Aus-

bau der Kläranlage Immenstaad konzipiert. Mit den Versuchsergebnissen sollte die

Möglichkeit geschaffen werden, die Gesamtanlage mit Membrantechnologie auszurüs-

ten. Von daher war ein geeigneter Versuchsmaßstab zu wählen, der eine sichere Pla-

nung der großtechnischen Membrananlage auf der Basis der Versuchsergebnisse er-

möglichte. Die Wahl des Versuchsmaßstabes wurde aber gleichzeitig von der Forde-

rung dominiert, großtechnische Module, wie sie auch bei einer Großanlage zur Anwen-

dung kommen würden, zu verwenden. Auf Basis dieser Überlegungen und der vorhan-

denen großtechnischen Module wurde als hydraulischer Versuchsmaßstab der Faktor

1/500 gewählt.

In Abb. 4.1 ist schematisch der Aufbau der Versuchsanlagen und die Einbindung in die

vorhanden Kläranlage dargestellt. Die Beschickung der Versuchsanlagen erfolgte

hauptsächlich mit vorgeklärtem Abwasser. Nur in einem kurzen Versuchsabschnitt

wurden die Anlagen mit dem Zulauf zum Vorklärbecken beschickt. Von besonderer Be-

deutung für die Versuchsanlagen ist in diesem Zusammenhang die Betriebsweise des

Vorklärbeckens. Aufgrund von Problemen mit den installierten Saugräumern und einer

zu flachen Sohle, wurde der abgesetzte Schlamm periodisch aufgewirbelt und dann mit

den Saugräumern entfernt. Zeitweise gelangten so vermehrt Feststoffe in den Ablauf

der Vorklärbecken und damit in den Zulauf zu den Versuchsanlagen. Das Rückbelas-

tungswasser aus der Schlammbehandlung (maschinelle Überschuß- und Faul-

schlammeindickung) wurde in fast allen Versuchsabschnitten in den Zulauf zum Sand-

fang geleitet und gelang somit auch in die Versuchsanlagen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 30 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die Zulaufvolumenströme wurden durch regelbare Exzenterschneckenpumpen für jede

Anlage auf die gewünschte Menge eingestellt. Der Sollwert für den Zulaufvolumen-

strom wurde von dabei vom Meßwerterfassungs-System der Universität Stuttgart vor-

gegeben und die Anlagen mußten diese Wassermenge abarbeiten.

Die Systeme WABAG und ZENON wurden mit einer vorgeschalteten Denitrifikations-

zone ausgestattet. Die Rezirkulation von der Nitrifikations- in die Denitrifikationszone

erfolgte durchgehend mit ca. 250 bis 350 % des Zulaufvolumenstromes. Die Anlage

BERGHOF wies eine intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation in einem Becken

auf.

VKB

WABAG

ZENON

Sieb3 mm

DN NRezirkulation

AblaufRechen

DN NRezirkulation

Luft

Luft

Belebungs-becken

BERGHOF

N/DN

getauchtePlatten-module

getauchteHohlfaser-

module

externeRohrmodule

Rückbelastungaus Schlamm-

behandlung

Sand-fang

Abb. 4.1 Darstellung der Gesamtkonzeption

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 31 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Für die Durchführung der Versuche wurde vom Abwasserverband eine Pumpe im Ab-

lauf der Vorklärung installiert und eine Leitung zum Aufstellungsort der Versuchsanla-

gen verlegt. Zum Schutz der Versuchsanlagen vor Störstoffen wurde zusätzlich ein

Schutzsieb mit einer Maschenweite von 3 mm installiert. Aus dem Vorlagebehälter

nach dem Sieb erfolgte die Beschickung der Versuchsanlagen.

4.3 Detaillierte Beschreibung der Anlage WABAG

4.3.1 Aufbau der Versuchsanlage WABAG

Die Versuchsanlage WABAG wurde vor Ort aufgebaut und mit einem Zelt überdacht.

Der Aufbau der Anlage ist in der Abb. 4.2 schematisch dargestellt.

Die Anlage bestand aus einem rechteckigen Nitrifikationsbecken (1,08 x 2,00 m) und

einem runden Denitrifikationsbecken (∅ 1,00 m). Die Füllhöhe des Nitrifikationsbeckens

variierte zwischen 2,9 und maximal 3,4 m. In der Regel wurde ein Füllstand von 3,1 m,

entsprechend ein Nitrifikationsvolumen von 6,7 m³, eingestellt. Das Denitrifikationsbe-

cken mit einem festen Volumen von 2,75 m³ wurde mit Hilfe einer Tauchpumpe umge-

wälzt. Die Rezirkulation erfolgte über eine manuell regelbare Exzenterschneckenpum-

pe. Eine Messung der Rezirkulationsvolumenstroms erfolgte nicht, sondern wurde indi-

rekt aus der Kennlinie der Pumpe bestimmt.

Die Luftzufuhr erfolgte über ein Drehkolbengebläse (40 bis 120 Nm3/h; 400 mbar,

4,0 kW). Die Regulierung der Luftmenge wurde in der ersten Versuchshälfte mit einem

Drosselschieber vorgenommen und anschließend mit einem Frequenzumrichter. Der

Luftvolumenstrom wurde kontinuierlich erfaßt und registriert.

Bei der Versuchsanlage WABAG wurde ein Plattenmodul Typ A 100 mit einer Oberflä-

che von 80 m² (Angabe des Herstellers) in das Nitrifikationsbecken eingesetzt. Dieses

bestand aus insgesamt 100, in einem Abstand von 8 mm parallel und senkrecht ange-

ordneten Einzelplatten mit einer Abmessung von jeweils 1,0 x 0,5 m. Die Platten waren

auf einer Höhe von 1,5 bis 2,5 m angeordnet, der Überstand betrug bei einer Füllhöhe

von 3,1 m ca. 0,6 m. Die Abmessungen des Moduls einschließlich Gehäuse betrugen in

der Draufsicht 1,6 x 0,6 m. Das Gehäuse (Leitrohr) diente der Schaffung von definierten

Strömungsverhältnissen. Die Netto-Aufströmfläche zwischen den Platten betrug ca.

0,4 m². Der Abströmbereich hatte eine Fläche von 1,2 m².

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 32 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die Stützplatte besteht aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymer (ABS) und besitzt beid-

seitig eingefräßte Drainagerillen. Die Membran, die aus chloriertem Polyethylen be-

steht, ist beidseitig auf die Trägerplatte aufgeschweißt. Die Porengröße beträgt ca.

0,2 µm. Zwischen Membran und Platte noch ein Drainageflies eingebracht um die Ab-

leitung des Permeats zu erleichtern. An jeder Platte ist an der oberen Stirnseite ein

Permeatabzugsnippel angebracht. Eine Schlauchleitung verbindet die Einzelplatte zu

einem Permeatsammelrohr.

20001600

1080

600

1000

1 PlattenmodulTyp A 100

3500

Höhe Niveau-messung

z Niv=

400

Niv

eaua

nzei

ge (

250

bis

300

mba

r)

Höhe variabel

4000

Luft

Permeat

1450

TauchpumpezurUmwälzung

Rezirkulation

1000

500

V = 2,75 m³ V = 6,3 bis 7,3 m³

Zulauf

Rezi-pumpe

Was

sert

iefe

= 2

900

bis

3400

(z B

B)

1050

M

Druckmessung

Rezirkulationz M

eß =

258

0

Luft/Flüssigkeit

GebläseLuft

M

PermeatpumpeStellschieber

Permeat

Permeatsammler

Belüftung

Gehäuse

NitrifikationDenitrifikation

Abb. 4.2 Aufbau der Versuchsanlage WABAG (ohne Maßstab, Angaben in mm)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 33 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die Permeatleitung wurde unterhalb des Wasserspiegels aus dem Behälter zur Per-

meatpumpe geführt. Außerhalb des Beckens war eine Permeatpumpe und ein Stell-

schieber angeordnet. Zu Versuchsbeginn wurde der Permeatvolumenstrom bei kon-

stanter Pumpenleistung nur über den angesteuerten Stellschieber eingestellt. In der

zweiten Versuchshälfte wurde die Permeatpumpe mit einem Frequenzumrichter aus-

gestattet und der Stellschieber diente nur noch zum Abschiebern der Leitung. Die Mes-

sung des Unterdrucks in der Permeatleitung erfolgte über eine Druckmeßzelle vor der

Permeatpumpe in eine Höhe von 2,58 m. Die Betriebsweise des Permeatabzugs wird

im folgenden Kapitel erläutert.

Die Belüftungselemente sind direkt unter dem Gehäuse in einer Höhe von ca. 0,5 m

angeordnet, die Eintauchtiefe beträgt ca. 2,6 m. Zu Versuchsbeginn erfolgte die Belüf-

tung mit einem Verteilerrohrsystem (grobblasig, 16 Löcher mit je 10 mm Durchmesser).

Diese Belüftung wurde im Versuchskauf gegen 6 Gummimembran-Rohrbelüfter (fein-

blasig) mit jeweils 0,5 m Länge ersetzt.

Die Zusammenstellung der wesentlichen Kennwerte erfolgt in Kapitel 4.6.

4.3.2 Funktionsprinzip der Anlage WABAG

In Abb. 4.3 ist das Funktionsprinzip der Anlage WABAG schematisch dargestellt.

Permeat-pumpe

im IntervallbetriebGebläse

Zulauf aus DN

getauchtePlatten-module

Luft

Belüftung Zeit

Per

mea

tvol

umen Filtration Pause

8 min 2 min

RZ zur DN

∆VP

∆t

Abb. 4.3 Funktionsprinzip der Anlage WABAG (Belüftung und Permeatabzug)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 34 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

4.3.2.1 Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination erfolgte bei der Anlage WABAG durch Nitrifikation und vorge-

schaltete Denitrifikation. Dieses Verfahren wird nicht weiter erläutert.

4.3.2.2 Belüftung Membranen und Biologie

Die Luftzufuhr hatte bei der Anlage WABAG eine doppelte Funktion zu erfüllen:

• Schaffung der notwendigen Überströmgeschwindigkeit bzw. Turbulenz zur Kon-

trolle der Deckschicht,

• Sauerstoffversorgung der Biologie.

Die unter das Plattenmodul eingebrachte Luft erzeugt im Gehäuse eine Aufwärtsströ-

mung. Die hierfür erforderliche Luftmenge betrug nach Herstellerangaben 60 Nm³/h.

Das Luft/Wasser-Gemisch durchströmt den Modulbereich und erzeugt hier die notwen-

digen Scherkräfte zur Kontrolle der Deckschicht. Im Randbereich ist die Strömung ab-

wärts gerichtet. Die Geschwindigkeit im Plattenquerschnitt wurden nicht bestimmt, kann

aber zu ca. 1 bis 1,5 m/s abgeschätzt werden. Entsprechend der gegebenen Flächen-

verteilung beträgt die Geschwindigkeit im Abströmbereich dann ca.0,3 bis 0,5 m/s. Die

eingebrachte Luft dient gleichzeitig zur Deckung des Sauerstoffberdarfs der Biologie.

Der Sauerstoffübergang erfolgt hauptsächlich im Aufströmbereich, da aufgrund der ge-

ringen Abströmgeschwindigkeit kaum Luftblasen mit nach unten gezogen werden. Eine

Entkoppelung der beiden Vorgänge ist nicht möglich.

4.3.2.3 Permeatabzug

Die Filtration erfolgte in Intervallen. Einer Filtrationszeit von 8 min folgte eine Pause von

2 min, in der kein Permeat abgezogen wurde, die Belüftung aber konstant blieb. Diese

Betriebsweise hat sich nach Angabe des Herstellers zur Aufrechterhaltung eines kon-

stanten Permeatflusses bewährt und wurde nicht verändert. Für die Berechnung des

Flusses wurde in der späteren Auswertung immer das effektive Permeatvolumen, ein-

schließlich der Pausenzeit, berücksichtigt. Der tatsächliche Membranfluß im Zeitintervall

der Filtration ist um 25 % höher als der angegebene effektive Fluß.

Die Anpassung an die variablen Zulaufvolumenströme erfolgte dadurch, indem der

Permeatstrom in der Filtrationszeit variiert wurde. Aus einer Messung des Füllniveaus

und Vergleich mit dem Sollwert ermittelte ein Regler das Stellglied für den Stellschieber

bzw. für den Frequenzumrichter.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 35 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

4.4 Detaillierte Beschreibung der Anlage ZENON

4.4.1 Aufbau der Versuchsanlage ZENON

Die Versuchsanlage ZENON wurde anschlußbereit in einem Container angeliefert. In

Abb. 4.4 ist der Aufbau der Versuchsanlage im Originalzustand dargestellt in Abb. 4.5

ist die Anlage nach dem Umbau gezeigt.

Im Originalzustand bestand die Anlage aus einem dreiteiligen Rechteckbecken mit ei-

nem Denitrifikationsteil von 1,3 x1,01 m, einem Nitrifikationsteil mit 8 Tellerbelüftern von

0,66 x 1,3 m und einem Filtrationsteil mit 0,78 x 1,3 m. Im Filtrationsteil wurden 6 Mem-

branmodule vom Typ ZW150 eingestellt. Die Trennung zwischen Denitrifikation und

Nitrifikation erfolgte durch eine unterströmte Trennwand. Die Trennwand zwischen Fil-

tration und Nitrifikation wurde überströmt und sicherte einen konstanten Füllstand von

2,20 m im Filtrationsteil (V = 2,2 m³). Die Füllhöhe im DN- und N-Teil variierte nur mini-

mal um den eingestellten Sollwert, üblicherweise 90 % entsprechend 2,10 m. Damit

betrug das DN-Volumen ca. 2,75 m³ und das N-Volumen ca. 1,8 m³. Die Rezirkulation

von der Nitrifikation in die Denitrifikation erfolgte mit ca. 300 %, die Zirkulation von der

Nitrifikation in die Filtration erfolgte mit ca. 700 %. Die Umwälzung des Denitrifikation-

beckens erfolgte mit einer eingehängten Tauchpumpe.

Die Belüftung der Anlage erfolgte mit zwei unabhängigen Drehschiebergebläsen. Die

Regelung der Gebläseleistung erfolgt über Frequenzumrichter. Das Gebläse für die

Biologie (Tellerbelüfter) wird vom Sauerstoffgehalt in der Nitrifikationszone geregelt.

Das Gebläse zur Belüftung der Membranen wird dem Permeatvolumenstrom angepaßt.

In das Filtrationsbecken sind insgesamt 6 Module vom Typ ZW150 eingestellt. Jedes

Modul hat eine Membranfläche von 13,9 m² (Herstellerangabe). Die Hohlfasermodule

bestehen aus druckfesten, selbsttragenden Membranschläuchen mit einem Innen-

durchmesser von 1 bis 1,5 mm und einem Außendurchmesser von ca. 2 bis 3 mm. Die

einzelnen Fasern sind an beiden Enden in Permeatsammelleitungen eingeklebt und

hängen locker zwischen den beiden Enden. Die Höhe eines Moduls einschließlich

Permeatsammelleitung beträgt 1,80 m. Die Luftzufuhr erfolgt am unteren Ende des

Moduls an beiden Seiten des Permeatsammelrohrs. Durch das aufsteigende

Luft/Wasser-Gemisch werden die Membranen in Bewegung versetzt und die Turbulenz

erzeugt die notwendigen Scherkräfte zur Kontrolle der Deckschicht.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 36 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die Permeatleitung führte von den Permeatsammlern zu einer Permeatpumpe mit an-

geschlossenem Rückspülsystem. Vor der Permeatpumpe ist in 1,86 m Höhe die

Druckmessung (Absolutdruck) angebracht. Die Beschreibung des Filtrationsprozesses

erfolgt in 4.4.2. Die Module können nicht einzeln betrieben werden.

1010 660 780

1440

2450

1300

2500

100

% =

230

0; h

äufig

90

% =

2100

600

1800

2400

Tellerbelüfter

Permeatpumpe

8 Tellerbelüfter

100 50

850

500

200

2200

(be

i 100

%)

Tauchpumpezur Umwälzung

6 MembranmoduleTyp ZW150

z Meß

=186

0

VN+F = 3,9 bis 4,3 m³VDN = 2,75 bis 3,0 m³

Zulauf Druckmessung

Höhe variabel

Nitrifikation Filtration

Gebläse

Membranen

Biologie

Trennwand

BelüftungMembranen

Denitrifikation

Abb. 4.4 Aufbau der Versuchsanlage ZENON im Originalzustand (ohne Maß-stab, Angaben in mm)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 37 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei den Umbaumaßnahmen wurden die 6 Module vom Typ ZW150 durch 2 neue Mo-

dule vom Typ ZW500 (CFA, 0,1 µm) mit einer Membranfläche von je 40 m² (Angaben

des Herstellers) ausgetauscht. Dadurch reduzierte sich die Membranfläche von 83,4

auf 80 m². Die Trennwand zwischen Nitrifikations- und Membranbecken wurde heraus-

genommen und die Zirkulation vom Nitrifikations- in das Filtrationsbecken abgestellt.

Zusätzlich wurden zwei Tellerbelüfter eingebaut. Um die beiden Membranmodule wur-

de ein Gehäuse zur besseren Strömungsführung installiert. Beide Module konnten se-

parat betrieben werden. Die geänderte Betriebsweise des Permeatabzugs wird im fol-

genden Abschnitt beschrieben.

Permeatpumpe

10 Tellerbelüfter

Tauchpumpezur Umwälzung

Zulauf DruckmessungNitrifikation

Gebläse

Membranen

Biologie

200 50600

800

500

2 MembranmoduleTyp ZW 500

Denitrifikation

Rezirkulation

Abb. 4.5 Aufbau der Versuchsanlage ZENON nach dem Umbau (ohne Maßstab, Angaben in mm)

4.4.2 Funktionsprinzip der Anlage ZENON

In Abb. 4.6 ist das Funktionsprinzip der Anlage ZENON schematisch dargestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 38 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Permeat-pumpe

mit Rückspülung

Gebläse

Zulauf aus DN

getauchteHohlfaser-

module

Membranen(grobblasig)

BelüftungBiologie

(feinblasig)

Permeat-speicher

Zeit

Per

mea

tvol

umen

Rück-spülung

z.B.: 240 s 20 sFiltration

RZ in DN

∆VP

∆t

Abb. 4.6 Funktionsprinzip der Anlage ZENON (Belüftung und Permeatabzug)

4.4.2.1 Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination erfolgte bei der Anlage ZENON durch Nitrifikation und vorge-

schaltete Denitrifikation. Dieses Verfahren wird nicht weiter erläutert.

4.4.2.2 Belüftung Membranen und Biologie

Aufgrund der getrennten Gebläse und Belüftungseinrichtungen war bei der Anlage ZE-

NON die Sauerstoffversorgung der Biologie und die Belüftung der Membranen weitest-

gehend entkoppelt. Die Sauerstoffversorgung der Biologie erfolgte über ein separates

Gebläse und mit feinblasigen, am Boden des Beckens angeordneten Tellerbelüftern.

Die stufenlose Regelung der Gebläseleistung erfolgte in Abhängigkeit der Sauerstoff-

konzentration im Becken. Der Luftvolumenstrom konnte zwischen 0 und 60 Nm³/h regu-

liert werden.

Die Belüftung der Membranen zur Erzeugung der notwendigen Turbulenzen erfolgte

über ein separates Gebläse. Die Gebläseleistung wurde dem Permeatvolumenstrom

angepaßt und konnte zwischen 40 und 80 Nm³/h variiert werden. Im Originalzustand

der Anlage konnten alle Module nur gleichzeitig belüftet werden. Nach dem Umbau

konnten die beiden Module vom Typ ZW500 einzeln belüftet werden.

4.4.2.3 Permeatabzug

Der Filtrationsvorgang wurde durch eine periodische Rückspülung unterbrochen. Nach

einer Filtrationszeit von beispielsweise 240 Sekunden erfolgte eine Rückspülung mit

Permeat für ca. 20 Sekunden. Hierzu wurde durch pneumatische Ventile die Leitungs-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 39 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

führung geändert und mit der Permeatpumpe aus einem Speicher Permeat in die

Membranmodule zurückgefördert. Der Rückspülvolumenstrom lag dabei in der gleichen

Größenordnung wie der Permeatvolumenstrom.

Die zurückgeführte Permeatmenge mußte erneut durch die Membranen gefördert wer-

den. In der Auswertung wird immer nur der effektive Fluß berücksichtigt. Bei diesen

Zeiteinstellungen war der tatsächliche transmembrane Fluß in der Filtrationszeit um ca.

18 % über dem effektiven Fluß (vgl. Abb. 4.6).

Die Anpassung an die variablen Zulaufvolumenströme erfolgt im Originalzustand nur

durch Variation des Permeatvolumenstroms in der Filtrationsphase. Alle Module wur-

den gleich belastet. Nach dem Umbau konnten die beiden Module einzeln angesteuert

werden. Bis zu einem bestimmten Volumenstrom wurde nur mit einem Modul filtriert.

Bei höheren Strömen wurde das zweite Modul hinzugeschalten.

4.5 Detaillierte Beschreibung der Anlage BERGHOF

4.5.1 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF

Die Versuchsanlage BERGHOF wurde vor Ort aufgebaut und mit einem Gerüst über-

dacht. Der Aufbau der Anlage ist in der Abb. 4.7 (Originalzustand) und in Abb. 4.8

(nach den Umbaumaßnahmen) schematisch dargestellt.

Die Einbecken-Biologie der Anlage BERGHOF bestand aus einem Rundbehälter mit

einem Durchmesser von 1,6 m und einer Füllhöhe zwischen 4,0 und 4,5 m, entspre-

chend einem Füllvolumen zwischen 8 und 9 m³. Im Behälter waren keine weiteren Ein-

bauten vorhanden.

Außerhalb des Behälters wurden 4 senkrecht stehende Rohrmodule mit einer Gesamt-

länge von je 3,0 m angeordnet. Zu Versuchsbeginn wurden Mehrkanal-Rohrmodule

vom Typ 37100 mit ca. 120 Einzelrohren (Innendurchmesser ca. 11 mm) eingesetzt.

Die Membranfläche eines Rohrmoduls betrug ca. 12,5 m². Die Rohrmembranen wur-

den während des Versuchs schrittweise durch Membranen vom Typ 61100 (ca. 100

Einzelrohre; Innendurchmesser ca. 11,5 mm) und einer Membranfläche von ca. 11 m²

ersetzt. Dadurch reduzierte sich die gesamte Membranfläche von 50 auf 44 m². Direkt

unter den Rohrmodulen wurden Kreiselpumpen angeordnet. Die Kreiselpumpen er-

zeugten die notwendige Überströmung der Membranen und die Belüftung der Biologie

durch den auf die Wasseroberfläche auftreffenden Flüssigkeitsstrahl. Bei einer Förder-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 40 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

höhe von 3 m WS betrug der Volumenstrom ca. 90 bis 100 m³/h (aus Pumpenkennli-

nie). Die ergab Überströmgeschwindigkeiten von ca. 2,5 m/s. Die aus Pumpe und

Rohrmodul bestehende Einheit wird als Loop bezeichnet.

Rohr-modul

1

2

3

4

350

770

1600 m

5000

1005

4000

bis

450

0

4 RohrmoduleTyp 37100 bzw. 61100

V = 8 bis 9 m³

Permeat

150

3000

pNiv

pzu

MotordeckelM

SchnittMembranmodul

Zulauf

Abb. 4.7 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF im Originalzustand (ohne Maß-stab, Angaben in mm)

Die Luftzufuhr erfolgte durch Oberflächenbelüftung (siehe folgenden Abschnitt). Im Ori-

ginalzustand der Anlage war auf dem Reaktor ein motorgesteuerter Deckel angebracht.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 41 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei den Umbaumaßnahmen wurden zwei Module zu Denitrifikationsmodulen umge-

baut. Hierzu wurden in den Reaktorkopf Bögen angebracht, die den austretenden Was-

serstrahl unter die Wasseroberfläche leiteten (Abb. 4.8). Der Deckel blieb dann ständig

geöffnet.

Zur Verbesserung der intermittierenden Denitrifikation und Nitrifikation wurde zusätzlich

ein Vorlagebehälter installiert, in dem der Zulauf zwischengespeichert werden konnte.

Rohr-modul

Permeat

Zulauf

Vorlage-behälter

M

Überlauf

V = 1 m³Umlenkbögen

bei Modul2 und 4

Magnetventil

Abb. 4.8 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF nach dem Umbau (ohne Maß-stab)

4.5.2 Funktionsprinzip der Anlage BERGHOF

4.5.2.1 Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination erfolgte bei der Anlage BERGHOF durch eine intermittierende

Nitrifikation/Denitrifikation in einer Einbecken-Biologie. Die Regelung der Nitrifikations-

und Denitrifikationsphasen erfolgte im Originalzustand durch eine Messung des Sauer-

stoffgehaltes im Becken. Diese Steuerung wurde durch einen online-Messung der Am-

monium-Ablaufkonzentration ersetzt. Zusätzlich erfolgte noch eine stoßweise Zugabe

des Zulaufs aus einem Vorlagebehälter um die Denitrifikationsgeschwindigkeit zu erhö-

hen. Der Zulaufvolumenstrom wurde in der Nitrifikationsphase zwischengespeichert.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 42 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

4.5.2.2 Belüftung Biologie und Anströmung Membranen

Die Sauerstoffversorgung der Biologie erfolgte bei der Anlage BERGHOF prinzipiell

durch eine Oberflächenbelüftung. Der aus dem Modul austretende Flüssigkeitsstrahl

wurde durch einen Bogen umgelenkt und trat horizontal in den Reaktorkopf ein. Beim

Auftreffen des Strahls auf der Wasseroberfläche wurde Umgebungsluft mitgerissen und

auf diese Weise die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen sichergestellt. Im Ori-

ginalzustand (siehe Abb. 4.9 a) wurde die intermittierende Nitrifikation und Denitrifikati-

on dadurch bewerkstelligt, daß durch einen Deckel der Luftzutritt zum Reaktorkopf un-

terbunden werden konnte.

In einer zweiten Versuchsanordnung wurde der Deckel entfernt und zwei der vorhan-

denen Module zu Denitrifikationsmodulen umgebaut (siehe Abb. 4.9 b). Hierzu wurde in

den Reaktorkopf ein Bogen angebracht, der den austretenden Flüssigkeitsstrahl unter

den Wasserspiegel führte und so den Lufteintrag verhinderte. Die beiden verbleibenden

Module dienten weiterhin der Belüftung.

Deckel mit Motor

M

Luft

Luft

Flüssigkeitsstrahl

2N-Module

Luft

Flüssigkeitsstrahl

Vorlage-behälter

M

Überlauf

Magnetventil

Zulauf

Zulauf

2DN-Module4 Module

a) Originalzustand b) nach Umbau

Abb. 4.9 Funktionsprinzip der Belüftung bei der Anlage BERGHOF

4.5.2.3 Permeatabzug

Der Permeatabzug erfolgte unter Ausnutzung der Höhendifferenz zwischen Behälterni-

veau und Auslauf Permeat. Die Permeatabgänge von jedem Modul wurden in einer

gemeinsamen Leitung nach unten geführt. Die Anpassung an die variablen Zulaufvo-

lumenströme erfolgte durch den betrieb einer unterschiedlichen Anzahl von Loops. Für

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 43 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

die Berechnung des Flusses wird der Permeatvolumenstrom immer auf die Anzahl der

Loops bezogen.

4.6 Zusammenstellung der wichtigsten technischen Kennwerte

In der folgenden Tabelle sind zur besseren Übersicht die wichtigsten Kennwerte der

Versuchsanlagen zusammengestellt.

Tab. 4.1 Zusammenstellung der wichtigsten technischen Kennwerte

BERGHOF WABAG ZENON

Membranen

Membranfläche 50 m² 80 m² 83,4 1)/80 m² 2)

Modulart Rohr Platten Hohlfaser

Porengröße 0,1 µm 0,2 µm 0,1 µm

Abmessungen dinnen ca. 11 mm, L = 3,0 m (Einzel-rohr)

ca. 0,5 x 1,0 m (Ein-zelplatte)

daußen ca. 2 mm, L = 1,80 m (Einzelfaser)

Anzahl 4 Rohrmodule mit je ca. 125 Rohr-membranen

1 Plattenmodul mit 100 Einzelplatten

6 Module ZW 1501)

2 Module ZW 5002)

Anordnung extern, senkrecht stehend

getaucht, 8 mm Plat-tenabstand

getaucht, Module mit ca. 2,5 cm Abstand

Reaktoren (mittlere Füllstände)

Nitrifikation 6.700 l 2,00x 1,08 x 3,10

3.900 l 1,30 x 1,44 x 2,10

Denitrifikation

8.000 l

∅ 1,6 x 4,003) 2.700 l ∅ 1,00 x 3,50

2.800 l 1,30 x 1,01 x 2,10

Gesamtvolumen 8.000 l (Vorlagebehälter:

1000 l)

9.400 l 6.700 l

VDN/VBB - 0,29 0,42

Belüftung

Luftzufuhr Biologie feinblasig 0 – 60 Nm3/h

Luftzufuhr Membranen Oberflächenbelüf-

tung feinblasig,

50 – 70 Nm3/h grobblasig, 40 – 80 Nm3/h

1) bis Mitte August 1997: 6 Stück ZW 150 2) ab Mitte August 1997: 2 Stück ZW 500 3) intermittierende N/DN 4) einschl. Abströmbereich

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4.7 Berechnung der transmembranen Druckdifferenz

Die Angabe der transmembranen Druckdifferenz ist zur Kennzeichnung der hydrauli-

schen Situation von großer Bedeutung. Aus der Messung des Druckes in der Permeat-

leitung (bei den getauchten Membranen) bzw. des Zulaufdruckes (bei der externen An-

ordnung) kann auf den Druckverlust für die Durchströmung der Deckschicht und der

Membran zurückgerechnet werden.

4.7.1 Anlagen WABAG und ZENON

Permeat-pumpepMeß

z Meß

z BB h

P

hM

= p

Meß

/ρg

∆h

TM

hV

hM

od

ul

pMeß

∆pTM

=ρg(zMeß-zBB)

Belebungsbecken Permeatleitung

Membran

Abb. 4.10 Definition der transmembranen Druckdifferenz für die Anlagen WABAG und ZENON

Um aus der Messung des Druckes in der Permeatleitung vor der Permeatpumpe die

transmembrane Druckdifferenz zu errechnen, sind folgende Vereinfachungen notwen-

dig:

• Die Geschwindigkeitshöhe der Strömung wird vernachlässigt, damit kann die Ener-

gielinie gleich der Drucklinie gesetzt werden.

• Der permeatseitige Reibungsverlust im Modul (hModul), also von der Rückseite der

Membran bis zum Anschluß der Permeatleitung kann vernachlässigt werden.

• Der Rohrreibungsverlust (hV)in der Permeatleitung ist zu vernachlässigen.

Unter diesen Voraussetzungen ermittelt sich die transmembrane Druckdifferenz ent-

sprechend dem oben dargestellten hydrostatischen Druckdiagramm (Abb. 4.10) zu:

( ) ]bar[zzgpp BBMeßMeßTM −ρ−−=∆ Gl. 22

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 45 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

mit:

pMeß [bar] Relativdruck in der Permeatleitung an der Meßstelle (negative Werte bei Unterdruck)

zMeß [m] Höhe Meßstelle über Bezugsniveau

zBB [m] Höhe Wasserspiegel im Belebungsbecken

Für die Anlage WABAG ist zu berücksichtigen, daß der Wasserspiegel im Belebungs-

becken (zBB) variabel ist, aber durch eine Füllstandsmessung erfaßt wird. Es ergibt sich

folgender Zusammenhang (vgl. auch Abb. 4.2):

( )( )

]bar[218,0pp

4,058,2gpp

pzzgpp

NivMeß

NivMeß

NivNivMeßMeßTM

−+−=−ρ−+−=+−ρ−−=∆

Gl. 23

mit:

pNiv [bar] Druck der Niveaumessung

Bei der Anlage ZENON wurde in der Permeatleitung nicht der Relativdruck, sondern

der Absolutdruck (pabs) gemessen. Der für die Berechnung notwendige Relativdruck

ergibt sich aus der Differenz zum Luftdruck (bei einer Höhenlage der Versuchsanlagen

von ca. 410 m über NN kann mit einem mittleren Luftdruck von 0,96 bar gerechnet

werden). Siehe auch Abb. 4.4 für die Angaben zur Höhenlage.

( )( )

]bar[984,0p

10,286,1g)96,0p(

zzg)pp(p

abs

abs

BBMeßLuftabsTM

+−=−ρ−−−=−ρ−−−=∆

Gl. 24

mit:

pabs [bar] Absolutdruck in der Permeatleitung an der Meßstelle

4.7.2 Anlage BERGHOF

Bei der Anlage BERGHOF ermittelt sich die transmembrane Druckdifferenz aus der

Messung des feedseitigen Zulaufdruckes vor dem Rohrmodul. Um zu dem hydrostati-

schen Druckdiagramm (Abb. 4.11) zu gelangen, sind folgende Größen vernachlässigt

worden:

• Geschwindigkeitshöhe (Energielinie = Drucklinie)

• Rohrreibungsverlust zwischen Meßstelle (zMeß) und Modulunterkante (zModUK)

• Eintrittsverlust in das Modul (Verengung)

• Austrittsverlust aus dem Modul (Aufweitung)

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• permeatseitigen Druckverluste (sowohl im Permeatraum des Rohrmoduls als auch

in der Permeatleitung)

Unter diesen Annahmen ermittelt sich die transmembrane Druckdifferenz entsprechend

dem Druckdiagramm zu (Höhenangaben in Abb. 4.7):

]bar[22,02

p2

)5,44,0277,0(g2

p2

)zz2z(gp2

)zzzzzz(g)zz(gpp

zuzu

AuslaufabMeßzu

abModOKModOKAuslaufabModUKMeßModUKzuTM

+=+⋅−ρ+=

+⋅−ρ+=

−+−+−ρ+−ρ−=∆

Gl. 25

mit:

pzu [bar] Relativdruck in der Feedleitung an der Meßstelle

Bei späteren Messungen stellte sich heraus, daß bei hohem Permeatvolumenstrom

sich ein Rohrreibungsverlust in der Permeatleitung einstellte und die transmembrane

Druckdifferenz somit geringfügig abgeschwächt wurde. Dies wird in der Auswertung

aber nicht berücksichtigt.

∆pTM

=ρg(zModUK-zab)

RohrmodulFeed-Seite

Permeatleitung

Membran

pzu

Auslaufniveau

pzu

z Meß

z ab

z Mem

UK

z Au

slau

f

z Mem

OK

pstatpdyn

=ρg(zModOK-zab)=ρg(zAuslauf-zModOK)

Abb. 4.11 Definition der transmembranen Druckdifferenz für die Anlage BERG-HOF

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4.8 Festlegung der systemrelevanten Stromverbraucher und theoretischer

Berechnungsansatz

Wesentliche Vorgabe bei der Konzeption der Versuchsanlage war es auch, den Strom-

verbrauch der Anlagen zu erfassen. Es wurden dabei nur systemrelevante Aggregate

erfaßt, die zur Belüftung und Filtration erforderlich waren. Aggregate wie Rührwerke

oder Rezirkulationspumpen sind nicht mit enthalten. Folgende Stromverbraucher wur-

den bei der Betrachtung des Energieeinsatzes berücksichtigt (siehe auch Abb. 4.12):

• WABAG: Gebläse Biologie/Membranen und Permeatpumpe

• ZENON: Gebläse Membranen, Gebläse Biologie und Permeatpumpe

• BERGHOF: Umwälzpumpen und Zufuhrpumpen

Die Zufuhrpumpe bei der Anlage BERGHOF wurde deshalb betrachtet, da keine Per-

meatpumpe installiert war, jedoch die Wasserspiegeldifferenz zwischen Behälter und

Permeatauslauf zur Erzeugung der transmembranen Druckdifferenz genutzt wurde.

System WABAG System ZENON

Permeat-pumpe

GebläsePermeat-pumpe

GebläseMembranen

Biologie

4 Umwälz-pumpen

Zulauf-pumpe

System BERGHOF

Abb. 4.12 Darstellung der systemrelevanten Stromverbraucher

Für eine theoretische Betrachtung des systemrelevanten Energiebedarfs sind die

Leistungen der Pumpen und der Gebläse zu ermitteln. Die Pumpenleistung ermittelt

sich zu:

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PumpePump

HQgP

ηρ= Gl. 26

Mit: ρ Dichte (1000 kg/m³) Q Volumenstrom in m³/h H Förderhöhe in mTM/10 für Permeat) ηPumpe Pumpenwirkungsgrad (zu 0,7 gewählt)

kann die Pumpenleistung angegeben werden zu:

]kW[HQ0038,0]kW/J[1000]h/s[36007,0

HQ81,91000PPump ⋅⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅= Gl. 27

Wird die Temperaturerhöhung der Luft bei der Verdichtung vernachlässigt (isotherme

Verdichtung), kann die Leistung der Gebläse vereinfacht nach folgender Gleichung

bestimmt werden:

Gebläse

1

2L

Gebläse

pp

lnTRmP

η

⋅⋅⋅=

Gl. 28

Mit: •

m Massenstrom Luft (=ρ⋅QLuft = 1,2 kg/m³⋅QLuft) RL Gaskonstante für Luft (287 J/(kg⋅K)) T Temperatur des Gases (293 K) p2 Enddruck des Gases (= 1 + HET/10) HET Einblastiefe in m p1 Anfangsdruck des Gases (zu 1 bar gesetzt) ηGebläse Wirkungsgrad Gebläse (zu 0,5 gewählt; Leitungsverluste hierin mit enthal-

ten)

kann die Gebläseleistung angegeben werden zu:

]kW[)10H

1ln(Q056,0]kW/J[1000]h/s[36005,0

)10H

1ln(Q2932872,1P ET

Luft

ETLuft

Gebläse +⋅⋅=⋅⋅

+⋅⋅⋅⋅= Gl. 29

Der spezifischer Energieeinsatz (E*) ermittelt sich aus der Summe von Pump- und

Gebläseleistung, bezogen auf den Abwasservolumenstrom (QPermeat)

Permeat

GebläsePump*

Q

PPE

+= Gl. 30

In Tab. 4.2 ist der Energieeinsatz bei den Versuchsanlagen für den Betrieb der Memb-

ranfiltration und der Sauerstoffversorgung der Biologie auf Basis der theoretischen Ü-

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berlegungen zusammengestellt. Die getroffenen Annahmen (Fluß, Druck) sind nur eine

grobe Abschätzung und dienen hier nur zu Vergleichszwecken. Es wird keine Aussage

darüber getroffen, ob die eingebrachte Luftmengen auch zur Deckung des Sauerstoff-

bedarfs ausreichen. Für die Anlage Berghof wird bei dieser Abschätzung angenommen,

daß der angesetzte Permeatvolumenstrom mit zwei Loops (je ca. 90 bis 100 m³/h bei 3

m Förderhöhe) abgearbeitet werden kann.

Tab. 4.2 Zusammenstellung des theoretischen Energieeinsatzes

WABAG ZENON BERGHOF

Permeatvolumenstrom m³/h 1,5 1,5 1,5

Umwälzvolumenstrom m³/h - - 180 bis 200

Förderhöhe H m 2 1) 2 1) 4 2)

3 3)

Pumpenleistung kW 0,011 0,011 0,023 2,1 bis 2,3

Luftvolumenstrom Nm³/h 70 40 bis 140 -

Einblastiefe m 2,6 2,1 -

Gebläseleistung kW 0,9 0,4 – 1,5 -

spez. Energieeinsatz kWh/m³ 0,6 0,3 bis 1,0 1,4 bis 1,5

1) Förderhöhe der Permeatpumpen (2 m = 0,2 bar Transmembrandruck) 2) Förderhöhe der Zulaufpumpe 3) Förderhöhe der Umwälzpuumpen

Die Aufstellung verdeutlicht, daß der Energieeinsatz für die Permeatförderung zu ver-

nachlässigen ist. Wesentlichen Einfluß hat auf den spezifischen Energieeinsatz hat der

Membranantrieb bzw. die damit gekoppelte Sauerstoffversorgung der Biologie.

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5 Meß- und Analysenprogramm

5.1 Anordnung Probenahmestellen und online-Messungen

Für eine kontinuierliche Erfassung und Überwachung der Belastungen und Betriebszu-

stände der Versuchsanlagen wurde eine ganze Reihe von Probenehmern, kontinuierli-

chen Meßgeräten und Prozeßphotometer installiert (siehe Abb. 5.1).

Die Beprobung des Zulaufs zu den Versuchsanlagen erfolgte mit Hilfe von mengenpro-

portionalen Tagesmischproben. Die Probe wurde aus dem gerührten Vorlagebehälter

des Siebs gezogen. Eine ausführliche Beprobung des Zulaufs erfolgte immer in den

Intensivuntersuchungsphasen der jeweiligen Versuchsabschnitte.

Die wesentlichen Abwasserparameter (NO3--N, NH4

+-N PO43--P) wurde online im Ablauf

gemessen. Zusätzlich wurden aber auch aus dem Ablauf mengenproportionale Ta-

gesmischproben sowie Stichproben zur Bestimmung weiterer Abwasserparameter ge-

nommen.

Die Bestimmung des Feststoffgehaltes und des Glühverlustes erfolgte mittels Stichpro-

ben aus den Nitrifikationsreaktoren der jeweiligen Versuchsanlagen.

Zur kontinuierlichen Überwachung des Betriebszustandes wurden die wesentlichen

chemisch-physikalischen Meßwerte von allen Versuchsanlagen kontinuierlich aufge-

zeichnet. Die aufgezeichneten Meßwerte sind in Abb. 5.1 eingezeichnet.

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WABAG

ZENONSieb3 mm

DN N

DN N

BERGHOF

N/DN

PN

O2, pH, T,TS

O2, pH, T,TS, Red.

PN

PN

PN

O2, pH, T,TS

NO3-N, NH4-NPO4-P, LF

Q

Q

Q

Q,p

Q, p

Q

Q

Luft QN

pzu pzu

pzu

pzu

pNiv

MeßcontainerUNI Stuttgart

Abb. 5.1 Anordnung der Probenahmestellen (PN = Probenehmer) und der Meß-geräte

5.2 Konzeption der Meßwerterfassung und Datenfernübertragung

Die Meßwerte wurden von einem Meßwerterfassungssystem im Abstand von 10 Se-

kunden aufgezeichnet. Alle 20 Minuten wurde aus den Einzelwerten ein Mittelwert er-

rechnet und abgespeichert. Diese Mittelwerte wurden mittels Datenfernübertragung auf

den Arbeitsplatzrechner am Institut für Siedlungswasserbau übertragen und ausgewer-

tet.

Die Meßwerterfassung steuerte die Probenahmepumpen für den Ablauf der Versuchs-

anlagen an. Im Abstand von 20 Minuten wurde abwechselnd eine Probenahmepumpe

im Ablauf der Versuchsanlagen angesteuert. Nach einer Spülphase von 7 Minuten,

wurde nur aus den verbleibenden 13 Minuten der Mittelwert der online-Messung gebil-

det und abgespeichert. Durch diesen Betriebsmodus konnte nur jede Stunde die online-

Analysenwerte aus dem Ablauf der Versuchsanlagen erhalten werden.

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5.3 Analysenmethoden (Laboranalysen)

Die mengenproportionalen Mischproben wurden per Kurierdienst an das Labor der Ab-

teilung Abwassertechnik des Instituts für Siedlungswasserbau geschickt und entspre-

chend den angegebenen Analysenverfahren (siehe Tab. 5.1) auf die wesentlichen Ab-

wasserparameter untersucht. Ein Teil der Stichproben (Trockensubstanzgehalt, Glüh-

verlust) wurde direkt im Labor der Kläranlage Immenstaad bestimmt.

Tab. 5.1 Zusammenstellung verwendeter Analysenmethoden

Parameter Analysenmethode

Chemischer Sauerstoffbedarf CSB Kaliumdichromatmethode (DEV H41, DIN 38409, Teil 4)

Gesamter organischer Kohlenstoff TOC aus der homogenisierten Probe; DIN 38409-H3-1

Gelöster organischer Kohlenstoff DOC aus der membranfiltrierten Probe; ; DIN 38409-H3-1

Kjeldahlstickstoff TKN Kjeldahlaufschluß, Überdestillation von NH3 und Rücktitration

Ammoniumstickstoff NH4+-N Küvettentest (Dr. Lange)

Biochemischer Sauerstoffbedarf BSB5 Bestimmung am Sapromat

Nitritstickstoff NO2--N Küvettentest (Dr. Lange)

Nitratstickstoff NO3--N Küvettentest (Dr. Lange)

Gesamtphosphor Pges Bestimmung von Gesamtphosphat nach Aufschluß; DEV D 11-4, DIN 38405

Organische Säuren (Titration) HAcäq Acidimetrische Titration (nach Kapp, 1984)

Säurekapazität KS4,3 DIN 38409 H7 1-2

Abfiltrierbare Stoffe TS0 oder AFS

Bestimmung mittels Membranfilter mit 0,45µm Porenweite (DEV H2-2, DIN 38409)

Trockensubstanz TS Trocknung bei 105 °C (in Anlehnung an DIN 38414)

Glühverlust GV Glühung bei 600 bis 650 °C (nach DEV-S2)

Gesamteisengehalt Feges DEV-Verfahren DIN 38406-D21

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 53 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6 Darstellung der Ergebnisse

6.1 Überblick Versuchsabschnitte

Zum besseren Überblick über das gesamte Forschungsvorhaben wird hier eine Zu-

sammenstellung aller Versuchsabschnitte gegeben. Die in den jeweiligen Versuchsab-

schnitten durchgeführten Intensivuntersuchungsphasen mit erweitertem Analysenpro-

gramm sind mit „i“ gekennzeichnet.

Tab. 6.1 Zusammenstellung der Versuchsabschnitte

Versuchs-abschnitt

von bis Tage Bemerkungen

VA0 12.3.97 2.4.98 21 Einfahrphase

VA1 VA1i

2.4.97 9.5.97

26.5.97 22.5.97

54 13

konstante hydraulische Beschickung

VA2 VA2i

26.5.97 15.6.97

10.7.97 10.7.97

45 25

variable hydraulische Beschickung

VA3 VA3ai VA3ci

11.7.97 21.8.97 14.10.97

5.11.97 23.9.97 5.11.97

117 33 22

kläranlagenproportionale Beschickung;

teilweise ohne Rückbelastungseinfluß

VA4 VA4i

5.11.97 3.12.97

7.1.98 22.12.97

63 19

wie 3, zusätzlich mit P-Fällung

VA5 VA5i

7.1.98 20.2.98

6.4.98 31.3.98

89 39

Schlammalter 50 bis 75 Tage

VA6 VA6i

6.4.98 5.5.98

2.6.98 25.5.98

57 20

Schlammalter 75 bis 120 Tage

6.2 Versuchsabschnitt 0 (12.3.97 bis 2.4.97)

Die Versuchsanlagen WABAG und ZENON wurden am 12.3.97 mit belebtem Schlamm

(eisenfrei) der Kläranlage Hattenweiler aufgefüllt. Anschließend erfolgte die Adaption

des belebten Schlammes an das vorhandene Abwasser und die Anreicherung von

Biomasse. Die Versuchsanlage ZENON konnte aufgrund der betriebsbereit installierten

Meß-, Steuer und Regeleinheit problemlos in Betrieb genommen werden. Bei der Anla-

ge WABAG mußten noch einige Parameter, insbesondere die Niveauregelung, nach-

justiert werden. Die Beschickung konnte daher bei der Anlage WABAG nicht gleichmä-

ßig erfolgen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 54 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Der Feststoffgehalt wuchs kontinuierlich von ca. 3 g/l bis ca. 10 g/l in beiden Versuchs-

anlagen an. Der Gesamtertrag an belebtem Schlamm betrug bei der Anlage ZENON

ca. 47 kg und bei der Anlage WABAG ca. 40 kg. Die behandelte Abwassermenge be-

trug in diesem Versuchsabschnitt für die Anlage WABAG ca. 360 m³ und für die Anlage

ZENON ca. 400 m³. Die wesentlichen Parameter des Versuchsabschnittes 0 sind in

Tab. 6.2 angegeben. Da keine Analyse der Zulauf- und Ablaufparameter erfolgte, kön-

nen keine Belastungen und Konzentrationswerte angegeben werden.

Tab. 6.2 Zusammenstellung Kennwerte VA0

VA0 (21 Tage) WABAG ZENON

Feststoffkonzentration g/l 3 auf 10 3 auf 10

Temperatur °C 13 14

Abwassermenge m³ 360 400

Gesamtertrag kg TS 40 47

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,11 0,12

In der folgenden Abbildung ist der Gesamtertrag an Feststoffen in der Inbetriebnahme-

phase dargestellt. Der Verlauf war für die Anlage ZENON aufgrund der konstanten Be-

schickung gleichmäßiger als für die Anlage WABAG.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 3 6 9 12 15 18 21

Versuchstage (VA0)

Ges

amte

rtra

g [k

g]

ZENON WABAG

Abb. 6.1 Zunahme der Feststoffe in den Versuchsanlagen in der Inbetriebnah-

mephase (VA0)

Nach Erreichen eines Feststoffgehaltes von ca. 10 g/l wurde am 2.4.98 mit dem Ver-

suchsabschnitt 1 begonnen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 55 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.3 Versuchsabschnitt 1 (2.4.-26.5.97)

6.3.1 Zielsetzung

Zielsetzung des ersten Versuchsabschnittes war der möglichst konstante Betrieb der

Versuchsanlagen zur Ermittlung des Betriebsverhaltens und auch zur Optimierung der

Anlagentechnik. Die Beschickung erfolgte konstant mit dem Trockenwetterzufluß Qt.

6.3.2 Protokoll und Kennwerte VA1

Die wesentlichen Betriebsunterbrechungen oder Störungen sind im folgenden Protokoll

dargestellt (VT für Versuchstag; W für WABAG, Z für ZENON, KA für Kläranlage).

Datum VT Beschreibung

09.04.97 09:40 7,0 W: Gebläse abgeschaltet; Riemenscheibe gewechselt

14.04.97 17:00 12,3 KA: Vorklärbecken außer Betrieb; Beschickung mit Ablauf Sandfang für ca. 12 Stunden

15.04.97 12:00 13,1 Z: Erhöhung Füllstand von 80 auf 90%; damit Gesamtvolumen von 6 auf 6,5 m³

16.04.97 09:00 14,0 W: Niveausteuerung ausgefallen; Membranen trockengefallen!

17.04.97 09:00 15,0 Z: Umwälzpumpe für Rezirkulation ausgetauscht

24.04.97 14:00 22,2 W: Inbetriebnahme DN mit 2,75 m³

28.04.97 16:00 26,3 Z: zusätzliche Tauchpumpe zur Umwälzung der DN installiert

07.05.97 11:30 35,1 Z: Anlage abgeschaltet; Einbau Zwischenwand in Filtrations-behälter

07.05.97 17:30 35,4 Z: Anlage mit NaOHCl gespült

13.05.97 11:00 41,1 W: Rezirkulation auf 2,5 m³/h eingestellt

14.05.97 12:00 42,1 Z: Rezirkulation auf 2 m³/h gedrosselt

14.05.97 15:00 42,3 Z: Rezirkulation auf 3,5 m³/h erhöht

14.05.97 17:00 42,3 Z: Rezirkulation auf 4,9 m³/h erhöht

15.05.97 12:00 43,1 Z: Erhöhung Füllstand von 90 auf 94 %; Gesamtvolumen von 6,5 auf 6,9 m³

15.05.97 12:30 43,1 W: Rezirkulation von 2,5 auf 3,2 m³/h eingestellt

15.05.97 16:30 43,3 W: Rezirkulation auf 3,8 m³/h eingestellt

Die wesentlichen Kennwerte betreffend der Stoffströme (fest/flüssig) sind in der folgen-

den Tabelle für den gesamten Versuchsabschnitt und für die Intensivuntersuchungs-

phase zusammengestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 56 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Tab. 6.3 Zusammenstellung der Kennwerte für VA1 und VA1i

VA1 (54 Tage) WABAG ZENON

gesamt intensiv gesamt intensiv

Versuchstag 1-54 37-50 1-54 37-50

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,30 1,4 1,32 1,4

Feststoffgehalt g/l 12-17 14 14-19 15,2

Temperatur °C 11-18 16,6 13-19 17,3

Abwassermenge m³ 1.685 437 1.710 437

Gesamtertrag kg TS 134 26 146 31,2

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,08 0,06 0,09 0,07

6.3.3 Hydraulik

Abgesehen von einigen kurzen Unterbrechungen wurden beide Anlagen konstant be-

schickt. Der effektive Fluß betrug ca. 17 l/(m2h) für die Anlage WABAG und 16 l/(m2⋅h)

für die Anlage ZENON. Die sich einstellenden Transmembrandrücke lagen bei der An-

lage WABAG bei ca. 0,08 bis 0,09 bar und bei der Anlage ZENON bei ca. 0,23 bis 0,3

bar. Die folgenden Abbildungen charakterisieren die hydraulische Leistung der Systeme

im VA1.

0

5

10

15

20

25

30

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

p TM [b

ar]

Fluß

Transmembrandruck

WABAG

Abb. 6.2 Fluß und Druck (WABAG, VA1)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 57 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

30

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

p TM [b

ar]

TransmembrandruckFluß

ZENON

Abb. 6.3 Fluß und Druck (ZENON, VA1)

In Abb. 6.4 ist die Permeabilität, bezogen auf eine Abwassertemperatur von 10 °C, für

beide Versuchsanlagen dargestellt.

0

50

100

150

200

250

300

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/(m

²hba

r)]

WABAG

ZENON

Abb. 6.4 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA1)

Die Permeabilität wies bei beiden Versuchsanlagen einen konstanten Verlauf auf. Für

die Anlage WABAG wurden Werte knapp über 200 und für die Anlage ZENON Werte

von knapp über 50 l/(m2⋅h⋅bar) ermittelt. Eine Verringerung der Membranleistung, die

sich sofort in einer geringeren Permeabilität ausgedrückt hätte, war in diesem Ver-

suchsabschnitt nicht zu verzeichnen.

In den beiden folgenden Abbildungen ist der Zusammenhang zwischen Zulauf- und

Ablaufvolumenstrom sowie dem zugehörigen Fluß, normiert für eine Temperatur von

10 °C und der transmembranen Druckdifferenz wiedergegeben. Es sei hier darauf hin-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 58 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

gewiesen, daß im Ablaufvolumenstrom der Anlage ZENON aufgrund der Anordnung

des Durchflußmeßgerätes der Rückspülvolumenstrom mit enthalten ist. Für eine effek-

tive Betrachtung des Abwasserdurchsatzes bzw. der Anlagenleistung ist nur die Zu-

laufmenge zu berücksichtigen.

0

5

10

15

20

25

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)] AblaufZulauf

WABAG

Abb. 6.5 Fluß (bei 10°C) und Druck (WABAG, VA1)

0

5

10

15

20

25

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

Zulauf

AblaufZENON

Abb. 6.6 Fluß (bei 10°C) und Druck (ZENON, VA1)

Bezogen auf eine Abwassertemperatur von 10 °C wurde bei der Anlage WABAG ein

Fluß von 15 l/(m2⋅h) bei einem mittleren Transmembrandruck von 0,075 bar und bei der

Anlage ZENON ein mittlerer Fluß (10°C) von 14 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken

zwischen 0,17 und 0,25 bar erreicht.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 59 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.3.4 Chemisch-physikalische Parameter

Die im folgenden dargestellten Parameter wurden in der Nitrifikationszone der jeweili-

gen Versuchsanlage gemessen. Der Feststoffgehalt betrug bei beiden Anlagen ca. 13

bis 17 g/l, die Temperatur erhöhte sich entsprechend den Witterungsverhältnissen von

11 auf knapp 20 °C. Die starken tageszeitlichen Temperaturschwankungen resultieren

aus der Aufstellung der Anlagen im Freien.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

O2

[mg/

l] pH

[-] ϑ

[°C

] Temperatur

pH-Wert

Sauer-stoff

WABAG

Abb. 6.7 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

O2

[mg/

l] pH

[-] ϑ

[°C

] Temperatur

pH-Wert

Sauer-stoff

ZENON

Abb. 6.8 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA1)

Hinsichtlich des Sauerstoffgehaltes in der Nitrifikationszone sind erhebliche Unterschie-

de bei beiden Versuchsanlagen zu erkennen. Da bei der Versuchsanlage WABAG

(Abb. 6.7) die Luftzufuhr fest eingestellt war, konnte nicht auf die veränderlichen Belas-

tungen reagiert werden. Demzufolge variierte die Sauerstoffkonzentration in der N-Zone

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 60 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

zwischen 0 mg/l und der Sättigungskonzentration von ca. 10 mg/l. Diese Variation hatte

natürlich auch Auswirkungen auf die Denitrifikation.

Bei der Versuchsanlage ZENON (Abb. 6.8) konnte die Sauerstoffkonzentration in der

N-Zone durch eine geregelte Luftzufuhr (Gebläse der Biologie mit Frequenzumrichter)

konstant gehalten werden. Zu Versuchsbeginn von VA1 wurde eine Sollkonzentration

von 1,8 mg/l O2, anschließend eine Sollkonzentration von 1,0 mg/l eingestellt.

In Abb. 6.9 und Abb. 6.10 sind Feststoffgehalt und Glühverlust für beide Anlagen dar-

gestellt. Durch einen ungleichmäßigen Überschußschlammabzug variierte der Fest-

stoffgehalt im Tagesmittel bei beiden Anlagen zwischen 10 und 17 g/l. Der Glühverlust

erhöhte sich bei der Anlage WABAG von 62 auf 73 % und bei der Anlage ZENON von

66 auf 74 %.

0

5

10

15

20

25

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

TS

[g/l]

0

20

40

60

80

100

GV

[%]

Trockensubstanz

WABAGGlühverlust

Abb. 6.9 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA1)

0

5

10

15

20

25

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54

Versuchstage (VA1)

TS

[g/l]

0

20

40

60

80

100

GV

[%]

Trockensubstanz

ZENON Glühverlust

Abb. 6.10 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA1)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 61 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.3.5 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 1

Gegen Ende des ersten Versuchsabschnittes wurde im Zeitraum vom 9.5.97 bis zum

22.5.97 (Nr. 37 bis 50) eine Intensivuntersuchung durchgeführt. Hierbei wurde im Zu-

lauf zu den Versuchsanlagen und im Ablauf beider Anlagen Tagesmischproben ge-

nommen und im Labor der Abteilung Abwassertechnik auf verschiedene Parameter

untersucht.

Beim Vergleich der Analysenwerte mit den online-Werten ist zu berücksichtigen, daß

die Tagesmischproben immer von 9 bis 9 Uhr des darauffolgenden Tages gezogen

wurden.

6.3.5.1 Zulaufwerte

In der folgenden Tabelle sind die Zulaufkennwerte (Tagesmischproben) für den Ver-

suchsabschnitt 1i enthalten.

Tab. 6.4 Zulaufkennwerte VA1i

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l Min 161 50 83 42 17 81 5,6 0 37 28 Max 229 98 159 89 36 126 8,7 22 63 46 Mittel 202 80 128 66 25 106 7,6 7 49 36 Anzahl 5 5 5 13 13 13 13 13 13 13

Im Mittel sind 200 mg/l an CSB und 130 mg/l BSB5 im Zulauf gemessen worden. Die

mittleren Stickstoff-Zulaufkonzentrationen lagen bei 49 mg/l TKN und 36 mg/l NH4+-N.

Das für die Denitrifikationskapazität (auch DN-Vermögen) maßgebende Verhältnis

N/BSB5 lag mit ca. 0,4 sehr hoch. Auf die Ursache dieses ungünstigen Verhältnisses

und den damit verbundenen Problemen bei der Denitrifikation wird noch eingegangen.

6.3.5.2 Ablaufkonzentrationen

a) Kohlenstoff

Die Ablaufkonzentrationen an Kohlenstoff-Verbindungen wurden aus den Tagesmisch-

proben bestimmt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 62 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Versuchstage (VA1)

CS

B u

nd D

OC

im A

blau

f [m

g/l]

WABAG

ZENON

CSB

DOC

Abb. 6.11 CSB und DOC im Ablauf (WABAG und ZENON, VA1i)

Im Ablauf von beiden Versuchsanlagen waren keine abfiltrierbaren Stoffe nachweisbar.

Für den CSB wurden Werte kleiner 20 mg/l gemessen. Die DOC-Ablaufkonzentrationen

lagen für beide Versuchsanlagen identisch zwischen 6 und 9 mg/l. Aufgrund der niedri-

gen CSB-Ablaufwerte wurde der BSB5 nicht gemessen; es kann aber mit Werten klei-

ner 10 mg/l gerechnet werden. In Stichproben zur Mittagszeit konnten in den Abläufen

CSB-Werte von ca. 30 mg/l gemessen werden.

b) Stickstoff

Wie in Abb. 6.12 deutlich zu erkennen ist, konnte bei der Versuchsanlage WABAG die

Nitrifikation nicht immer vollständig gewährleistet werden. Aufgrund des mangelhaften

Sauerstoffeintragvermögens der installierten grobblasigen Belüftung, verbunden mit

einer maximalen Luftzufuhrmenge von 70 Nm3/h, konnte der Sauerstoffbedarf zur Nitri-

fikation nicht gedeckt werden. Die NH4+-N Konzentrationen im Ablauf der Versuchsan-

lage erreichten - insbesondere zur Mittagszeit mit hohen Zulaufkonzentrationen - Werte

von über 20 mg/l.

Vergleichbare Effekte traten bei der Versuchsanlage ZENON nur kurzzeitig bis zum

Versuchstag 22 und anschließend fast nicht mehr auf. Allerdings betrug die maximal

zugeführte Luftmenge – in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration in der Nitrifikati-

onszone – bis zu 138 Nm3/h

Entsprechend der niedrigeren Ammoniumkonzentrationen liegen bei der Versuchs-

anlage ZENON die NO3--N Konzentrationen mit bis zu 35 mg/l höher als bei der Ver-

suchsanlage WABAG mit Ablaufkonzentrationen bis zu 25 mg/l NO3--N.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 63 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Beide Anlagen wiesen mangelhafte Denitrifikation auf. Die Ursachen hierfür sind nicht

anlagenspezifisch, sondern im ungünstigen TKN/BSB5-Zulaufverhältnis begründet.

0

5

10

15

20

25

30

35

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

Versuchstage (VA1)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

Ammonium im Ablauf

Nitrat im Ablauf

WABAG

Abb. 6.12 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA1i)

0

5

10

15

20

25

30

35

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Versuchstage (VA1)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l] Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

ZENON

9:00 Uhr

Abb. 6.13 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (ZENON, VA1i)

c) Phosphor

Die PO43--P-Ablaufkonzentrationen (Abb. 6.14) lassen sich sehr gut zur Überprüfung

der Schlammbilanz und zur qualitativen Betrachtung der Zulaufkonzentrationen - re-

spektive von Regenereignissen - heranziehen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 64 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,5

1,01,52,0

2,5

3,0

3,54,0

4,5

5,0

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Versuchstage (VA1)

PO

43--P

im A

blau

f [m

g/l]

WABAG

ZENON

Abb. 6.14 PO4

3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA1i)

Die PO43--P - Ablaufkonzentrationen erhöhten sich bei der Versuchsanlage WABAG

von 2,3 auf 4,5 mg/l. Bei der Versuchsanlage ZENON nahmen die P-Konzentrationen

von 2,0 auf 3,4 mg/l zu. Gegen Versuchsende konnten im Ablauf der Anlagen nur noch

2,5 mg/l bei der Anlage WABAG und 2,0 mg/l bei der Anlage ZENON gemessen wer-

den.

Die durchschnittliche Differenz bei den P-Ablaufwerten von 0,4 mg/l läßt sich aus der

unterschiedlichen Belastung mit unterschiedlicher Biomassenbildung erklären. Bei ei-

nem P-Gehalt der Biomasse von 3,0 % kann auf einen Unterschied in der Biomassen-

bildung von 0,4 g P/m³ / 30 g P/kg TS = 0,013 kg TS/m³ gerechnet werden. Dieser Un-

terschied stimmt sehr gut mit den ermittelten spez. Schlammerträgen von 0,08 kgTS/m³

für die Anlage WABAG und 0,09 kgTS/m³ für die Anlage ZENON überein.

6.3.5.3 Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination lag bei beiden Versuchsanlagen mit durchschnittlich 65 %

gleich hoch (Abb. 6.15). Allerdings ist zu beachten, daß im Mittel bei der Anlage WA-

BAG 4,4 mg/l NH4+-N im Ablauf und bei der Anlage ZENON weniger als 1 mg/l gemes-

sen wurden. Die Rezirkulation betrug bei den Versuchsanlagen im Mittel ca. 300 %.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 65 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Versuchstage (VA1)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%]

ZENON

WABAG

Abb. 6.15 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA1i)

Bei einer mittleren TKN-Zulaufkonzentration von 49 mg/l konnte im Tagesmittel noch

17 mg/l an Nitrat- und Ammoniumstickstoff im Ablauf gemessen werden.

6.3.5.4 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion

Für den VA1i wird die Schlammbelastung mit der TOC-Fracht angegeben, da hierfür

die meisten Werte vorliegen. Entsprechende Werte für BSB5 oder CSB sind mit den

Verhältniswerten TOC/BSB5 = 0,51 und TOC/CSB= 0,33 umzurechnen. Aufgrund des

geringeren Volumens und vergleichbarem Feststoffgehalt lag die Schlammbelastung

bei der Anlage ZENON um ca. 0,005 kgTOC/(kgTS⋅d) höher als bei der Anlage WA-

BAG.

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0,045

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50Versuchstage (VA1)

TO

C-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gTO

C/(

kgT

S,d

)] ZENON

WABAG

Abb. 6.16 TOC-Schlammbelastung (WABAG und ZENON, VA1i)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 66 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die spezifische Überschußschlammproduktion (Abb. 6.17) kann für die Anlage WABAG

mit 0,9 kgTS/kgTOCzu und für die Anlage ZENON mit 1,1 kgTS/kgTOCzu angegeben

werden. Die Unterschiede sind auf die nicht gleich hohe TOC-Schlammbelastung zu-

rückzuführen.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Versuchstage (VA1)

spez

. ÜS

-Pro

d.

[kgT

S/(

kgT

OC

zu,d

)]

ZENON

WABAG

Abb. 6.17 Spez. ÜS-Produktion (WABAG und ZENON, VA1i)

6.3.6 Verhältniswerte im Zulauf und Einfluß der Vorklärung

Die Aufenthaltszeiten in der Vorklärung betragen bei Trockenwetterbedingungen ca. 2

bis 3 Stunden. Verbunden mit der Einleitung von Filtrat aus der Überschußschlamm-

eindickung - vermutlich noch mit einem hohen Gehalt an reaktionsfähigen Fällungsmit-

teln - wurde in der Vorklärung eine hohe Elimination der für die Denitrifikation notwendi-

gen organischen Kohlenstoffverbindungen erzielt (Vorfällung). Dieser Sachverhalt

konnte in Vergleichsmessungen zwischen Zulauf und Ablauf Vorklärbecken bestätigt

werden.

Tab. 6.5 Vergleichsmessungen zwischen Zu- und Ablauf Vorklärbecken

Datum CSB mg/l

BSB5 mg/l

TOC mg/l

SS mg/l

TKN mg/l

Pges mg/l

zu ab zu ab zu ab zu ab zu ab zu ab 24./25.5. 552 227 242 105 151 77 485 137 63 51 23 5,2

25./26.5. 647 222 260 106 127 55 550 111 75 54 13,0 5,1

26./27.5. 519 227 250 116 134 79 275 98 68 60 8,1 4,3

Mittel 573 225 251 109 137 70 437 115 69 55 15 5

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 67 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die Entfernung von organischem Substrat (Kohlenstoff) in der Vorklärung betrug über

60%, Stickstoff wurde dagegen nur zu ca. 10 bis 20% eliminiert. Die daraus resultieren-

de Verringerung des TKN/BSB5 – Zulaufverhältnisses von ca. 0,26 zu 0,4 ging eindeu-

tig auf Kosten der Denitrifikationsleistung.

6.3.7 Zusammenfassung VA1

Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand im ersten Versuchsabschnitt das Verhalten

der Anlagen bei konstanter Beschickung. Zusätzlich sollten die optimalen Betriebspa-

rameter zur Stickstoffelimination gefunden werden.

Die hydraulische Leistungsfähigkeit der Versuchsanlagen war im VA1 sehr zufrieden-

stellend. Beide Anlagen konnten das zugeführte Wasser bei mittleren Flüssen von

17 l/(m2⋅h) stets bewältigen. Der Verlauf der transmembranen Druckdifferenz wies bei

beiden Anlagen temperaturbedingt eine abnehmende Tendenz auf. Bezogen auf eine

Vergleichstemperatur von 10 °C war die Permeabilität bei der Anlage WABAG mit

200 l/(m2⋅h⋅bar) und bei der Anlage ZENON mit 50 l/(m2⋅h⋅bar) sehr konstant. Eine Be-

einträchtigung der Membranleistung war nicht zu verzeichnen.

Die Elimination der Kohlenstoffverbindungen betrug bei beiden Versuchsanlagen über

95 %. Die CSB-Ablaufwerte in den Tagesmischproben lagen bei ca. 18 mg/l, in Stich-

proben bis max. 30 mg/l. Feststoffe konnten in den Abläufen erwartungsgemäß keine

nachgewiesen werden.

Bei der Betrachtung der resultierenden Stickstoffentfernung ist zwischen der Nitrifikation

und der Denitrifikation zu differenzieren. Die Oxidation vom Ammonium zu Nitrat (Nitrifi-

kation) war nur bei der Versuchsanlage ZENON zufriedenstellend. Bei der Versuchsan-

lage WABAG konnte aufgrund unzureichender Luftzufuhr nicht zu jeder Zeit im erfor-

derlichen Umfang nitrifiziert werden. Die NH4+-N – Ablaufkonzentrationen lagen bei die-

ser Anlage mit bis zu 20 mg/l weit über dem zulässigen Einleitungswert von 5 mg/l.

Die Denitrifikation war bei beiden Versuchsanlagen gleich mangelhaft. Aufgrund der

hohen Nitratkonzentrationen im Ablauf wurde der zulässige Einleitungswert von 18 mg/l

Nanorg bei weitem überschritten. Die niedrige Denitrifikationsleistung beider Versuchsan-

lagen ist allerdings nicht anlagentechnisch bedingt, sondern hat ihre Ursache in der

ungünstigen Zusammensetzung des zufließenden Abwassers. Mit dem vorhandenen

TKN/BSB5 – Verhältnis im Ablauf der Vorklärung von 0,4 sind keine höheren Werte zu

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 68 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

erwarten. Durch die sehr große Vorklärung und durch die Einleitung von fällmittelhalti-

gem Wasser wird zuviel für die Denitrifikation benötigter Kohlenstoff entnommen.

Bei mittleren Schlammbelastungen von 0,061 für die Anlage WABAG bzw.

0,076 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON betrug die spezifische Über-

schußschlammproduktion 0,3 kgTS/kgCSBzu für die Anlage WABAG und

0,36 kgTS/kgCSBzu für die Anlage ZENON.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 69 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.4 Versuchsabschnitt 2 (26.5.-10.07.97)

6.4.1 Zielsetzung

Im Mittelpunkt der Untersuchungen des zweiten Versuchsabschnittes stand die hydrau-

lische Flexibilität der Membrananlagen. Dies ist für den Einsatz von Membransystemen

in der kommunalen Abwasserreinigung zur Bewältigung der variablen Zulaufverhältnis-

se von elementarer Bedeutung. Von Interesse ist hierbei nicht nur die absolute Flexibili-

tät, bzw. der Unterschied zwischen mittlerer und maximaler Membranleistung, sondern

auch die Geschwindigkeit der Anpassung an den unterschiedlichen Zulaufvolumen-

strom.

Zur Ermittlung der kennzeichnenden hydraulischen Parameter der Versuchsanlagen

wurden im Versuchsabschnitt 2 Zulaufganglinien vorgegeben, die den realen Verhält-

nissen auf der Kläranlage Immenstaad entsprechen.

Bei der Auswertung der Ergebnisse des zweiten Versuchsabschnittes ist zu beachten,

daß die Intensivuntersuchungsphase in einer ausgesprochenen Regenperiode mit ver-

dünnten Zulaufkonzentrationen lag.

6.4.2 Protokoll und Kennwerte VA2

Die wesentlichen Betriebsunterbrechungen oder Störungen sind im folgenden Protokoll

dargestellt (VT = Versuchstag, W = Anlage WABAG, Z = Anlage ZENON, KA = Kläran-

lage).

Datum VT Beschreibung

02.06.97 20:00 7,5 KA: Einleitung von Abwasser aus der Schlammpressung führt zu sehr hohen Ammoniumkonzentrationen im Ablauf der Anla-gen (über 20 mg/l)

03.06.97 17:00 8,3 W: Füllniveau auf 300 mbar (3 m) erhöht (über Höhenlage Druckmeßsonde)

03.06.97 18:15 8,4 W: Füllstand auf 310 mbar erhöht (für besseren Sauerstoffein-trag)

05.06.97 09:00 10,0 Z: Zulauf aus, da Sieb hinter Zulaufpumpe verstopft

05.06.97 20:00 10,5 KA: Vorklärbecken außer Betrieb

06.06.97 16:30 11,3 W: Rezirkulation auf 5 m³/h gesetzt

10.06.97 21:00 15,5 NH4+-N-Analysengerät im Ablauf funktioniert nicht

12.06.97 22:00 17,5 Z: Behälterstand von 94 auf 92% gesenkt

17.06.97 20:00 22,5 W: Füllstand auf 305 mbar gesenkt

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 70 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

25.06.97 11:30 30,1 W: Rezirkulation auf 4,2 m³/h eingestellt

09.07.97 14:00 44,2 W: Luft auf 48 m³/h reduziert

09.07.97 16:00 44,3 W: Luft auf 60 m³/h erhöht

09.07.97 23:00 44,6 W: Luft auf 50 m³/h reduziert

10.07.97 14:00 45,2 W: Luft auf 70 m³/h erhöht

10.07.97 18:00 45,4 W: Luft auf 60 m³/h reduziert

Die Änderungen der Luftzufuhr bei der Anlage WABAG wurden auf Anweisung der Fir-

ma WABAG durchgeführt.

Die wesentlichen Kennwerte betreffend die Stoffströme „Fest“ und „Flüssig“ sind in der

folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tab. 6.6 Zusammenstellung Kennwerte VA2

VA2 (45 Tage) WABAG ZENON

gesamt intensiv gesamt intensiv

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,54 1,54 1,27 1,28

Feststoffgehalt g/l 13,5 14,5 14,8 15,3

Temperatur °C 18,4 18,4 19,4 19,2

Abwassermenge m³ 1.663 924 1.372 768

Gesamtertrag kg TS 120 44 100 27

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,072 0,048 0,073 0,035

6.4.3 Zulaufganglinie

Maßgebend für die erforderliche hydraulische Flexibilität der Membransysteme ist das

auf der Kläranlage Immenstaad vorhandene Verhältnis zwischen maximalem Regen-

wetterzufluß Qm und maximalem Trockenwetterzufluß Qt. Ausgehend von den Dimen-

sionierungsgrößen (siehe Kapitel 1.3) beträgt dieses Verhältnis 1,8. Entsprechend den

vorhandenen Membranflächen und den zulässigen Flüssen bei Trockenwetter von

20 l/(m2⋅h) wurden hieraus die Zulaufvolumenströme ermittelt. Hierbei ist zu beachten,

daß bei der ursprünglichen Berechnung der Zuflüsse bei der Anlage ZENON im Origi-

nalzustand eine Fläche von 72 m² angesetzt wurde. Dies ist später auf tatsächliche

83,4 m² berichtigt worden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 71 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Tab. 6.7 Zusammenstellung der hydraulischen Kennwerte der Versuchsanlagen und Zuläufe VA2

Ausbaugröße KA Immenstaad

WABAG ZENON

Installierte Membranfläche 80 m² 83,4 m²

max. Trockenwetterzufluß Qt 700 m3/h 1,60 m3/h 1,45 m3/h

max. Mischwasserzufluß Qm 1.260 m3/h 2,80 m3/h 2,50 m3/h

Durch Vorgabe einer Zulaufganglinie sollte der Wechsel zwischen Trockenwetterzufluß

und maximalem Mischwasserzufluß bei den Versuchsanlagen simuliert werden. Die

entsprechenden Zulaufganglinien sind für beide Anlagen in der folgenden Abbildung

(Abb. 6.18) dargestellt. Die Zunahme der Zulaufvolumenströme von Qt auf Qm erfolgte

innerhalb von 30 min.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

00:0

0

Uhrzeit [h]

Qzu

[m³/

h] WABAG

ZENON

Abb. 6.18 Ganglinie der Zulaufvolumenströme im Tagesverlauf

Die maximale Beschickung der Versuchsanlagen mit dem 1,8-fachen Trockenwetter-

zufluß (2,8 m3/h bei der Versuchsanlage WABAG und 2,5 m3/h bei der Versuchsanlage

ZENON) wurde in die Nachtstunden verlegt, um eine biologische Überlastung zu ver-

meiden (hoher Fremdwasseranteil, daher geringe Zulaufkonzentrationen). Nach einer

Phase mit geringerem Zulaufvolumenstrom erfolgte nachmittags wieder eine Erhöhung

auf den 1,5-fache Trockenwetterzufluß.

Im Mittel wurde eine hydraulische Belastung mit der 1,0-fachen Trockenwetterzufluß e

eingestellt. Die täglich zugeführte Wassermenge betrug 38,4 m³ für die Versuchsanlage

WABAG und 34,8 m³ für die Versuchsanlage ZENON.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 72 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.4.4 Hydraulik

Entsprechend den variablen Zulaufvolumenströmen lagen die Flüsse bei der Versuchs-

anlage WABAG zwischen 7 und 40 l/(m2h) und bei der Versuchsanlage ZENON zwi-

schen 5 und 30 l/(m2h). Die folgenden beiden Abbildungen zeigen jeweils 5 repräsenta-

tive Tage des Versuchsabschnittes 2.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

30 31 32 33 34 35Versuchstage (VA2)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

p TM [b

ar]

WABAG

Transmembrandruck

Fluß

Abb. 6.19 Fluß und Druck (WABAG, VA2, Detail)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

30 31 32 33 34 35

Versuchstage (VA2)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

p TM [b

ar]

Fluß

ZENON

Transmembrandruck

Abb. 6.20 Fluß und Druck (WABAG, VA2, Detail)

Bei der Versuchsanlage WABAG betrug über den gesamten Versuchszeitraum be-

trachtet der Transmembrandruck maximal 0,3 bar (bei 40 l/(m2h)). Im Mittel lag der

Transmembrandruck bei ca. 0,13 bar, mit fallender Tendenz zu Versuchsende (Abb.

6.19). Die transmembranen Druckdifferenzen lagen bei der Versuchsanlage ZENON

bei maximal 0,55 bar. Nach drei Versuchstagen mit einem maximalen Fluß von 35

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 73 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

l/(m2⋅h) überstieg die transmembrane Druckdifferenz den internen Grenzwert und die

Anlage schaltete sich automatisch ab. Daher wurden die Membranen bei der Ver-

suchsanlage ZENON im weiteren Versuchsablauf mit maximal 35 l/(m2⋅h) belastet. Am

20.6.97 (VT25) schaltete sich die Versuchsanlage ZENON erneut wegen einer Über-

schreitung des zulässigen Transmembrandruckes kurzzeitig ab und der maximale Fluß

wurde auf 30 l/(m2⋅h) beschränkt. Die transmembranen Druckdifferenzen lagen im Mittel

bei ca. 0,32 bar mit leicht steigender Tendenz zu Versuchsende.

Die Permeabilität (10°C) ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es ist deutlich zu

erkennen, daß mit hydraulisch variabler Belastung die hydraulische Leistung bzw. die

Durchlässigkeit der Membranen verringert wird. Bei der Anlage WABAG verringerte

sich die Permeabilität von 200 auf gut 115 l/(m2⋅h) bis zum Versuchstag 20. Anschlie-

ßend erhöhte sich die Permeabilität wieder auf ca. 130 l/(m2⋅h⋅bar). Der Grund hierfür

könnte in der parallelen Zunahme der Feststoffkonzentration (siehe Abb. 6.9) liegen.

Bei der Anlage ZENON verringerte sich die Permeabilität im gesamten Versuchsab-

schnitt 2 kontinuierlich von 67 auf 49 l/(m2⋅h⋅bar).

0

50

100

150

200

250

300

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45

Versuchstage (VA2)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/(m

²hba

r)]

WABAG ZENON

Abb. 6.21 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA2)

Durch die variable Belastung konnten im Versuchsabschnitt 2 wichtige Zusammenhän-

ge zwischen Fluß und Druck gewonnen werden. Hierbei wird jeweils auf eine Tempera-

tur von 10 °C normiert und immer nur der effektive Anlagendurchsatz berücksichtigt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 74 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

Zulauf = Ablauf

WABAG

Abb. 6.22 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA2)

Bei der Anlage WABAG konnte ein maximaler Fluß (10°C) von 30 l/(m2⋅h) bei einem

Transmembrandruck von 0,32 bar erzielt werden (Abb. 6.22).

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

ZENON

Ablauf

Zulauf

Abb. 6.23 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA2)

Der maximale Fluß bezogen auf den interessierenden Zulaufvolumenstrom betrug bei

der Anlage ZENON 24 l/(m2⋅h) bei einem Druck von 0,48 bar. Zum Vergleich ist in Abb.

6.23 noch der mit dem Ablaufvolumenstrom errechnete Fluß dargestellt. Bei dem Ab-

laufvolumenstrom ist der Rückspülvolumenstrom mit enthalten.

In der Tab. 6.8 sind die wesentlichen hydraulischen Werte zusammengestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 75 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Tab. 6.8 Zusammenstellung der hydraulischen Betriebsparameter (VA2)

WABAG ZENON

max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm [l/(m2⋅h)] 30 24

Transmembrandruck bei Qm [bar] 0,32 0,48

zulässiger Fluß bei Trockenwetterzufluß Qt [l/(m2⋅h)] 16,6 13,3

Transmembrandruck bei Qt [bar] 0,15 0,24

6.4.5 Chemisch-physikalische Parameter

Obwohl in diesem Versuchsabschnitt die hydraulischen Parameter im Mittelpunkt der

Untersuchungen standen, werden die chemisch-physikalischen Parameter der Ver-

suchsanlagen der Vollständigkeit halber hier mit aufgeführt.

In den folgenden Abbildungen sind die Ganglinien der Temperatur, des pH-Wertes, der

Sauerstoffkonzentration und des Feststoffgehaltes in den Nitrifikationsreaktoren der

jeweiligen Versuchsanlage dargestellt. Die Temperaturen lagen bei beiden Versuchs-

anlagen zwischen 16 und 22 °C, der pH-Wert konstant bei 7,5.

Aufgrund des in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration geregelten Gebläses

betrug die Sauerstoffkonzentration im Nitrifikationsbecken der Versuchsanlage ZENON

konstant 1,0 mg/l. Demgegenüber schwankte die Sauerstoffkonzentration bei der Ver-

suchsanlage WABAG zwischen 0 und 8 mg/l. Insbesondere wurden ab Versuchstag 8

mit einsetzendem Regenereignis ständig hohe Sauerstoffgehalte im Nitrifikationsbe-

cken gemessen.

02468

1012141618202224

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45

Versuchstage (VA2)

O2

[mg/

l] p

H [-

] ϑ

[°C

]

Temperatur

pH-Wert

Sauer-stoff

WABAG

Abb. 6.24 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA2)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 76 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

02468

1012141618202224

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45Versuchstage (VA2)

O2

[mg/

l] p

H [-

] ϑ

[°C

]

ZENON

Sauerstoff

pH-Wert

Temperatur

Abb. 6.25 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA2)

Die Feststoffkonzentration lag in der Versuchsanlage WABAG zu Versuchsbeginn bei

15 g/l, verringerte sich nach ca. 2 Wochen auf 11 g/l und erreichte gegen Versuchsen-

de ein Maximum von 17,5 g/l (Abb. 6.26).

Die Variation der Feststoffkonzentration war bei der Versuchsanlage ZENON - auf-

grund gleichmäßigerer Überschußschlammentnahme – weniger ausgeprägt als bei der

Versuchsanlage WABAG und lag relativ konstant bei 15 g/l (Abb. 6.27).

0

5

10

15

20

25

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45

Versuchstage (VA2)

TS

[g/l]

0

20

40

60

80

100G

V [%

]WABAG

Glühverlust

Trockensubstanz

Abb. 6.26 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA2)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 77 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45Versuchstage (VA2)

TS

[g/l]

0

20

40

60

80

100

GV

[%]

Glühverlust

Trockensubstanz

ZENON

Abb. 6.27 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA2)

Der Glühverlust erniedrigte sich bei der Anlage WABAG von 74 auf 70 % und bei der

Anlage ZENON blieb er mit ca. 70 % konstant.

6.4.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 2

Die Intensivuntersuchungsphase wurde vom 15.6. bis zum 10.7.97 (Versuchstage 20

bis 45) durchgeführt.

6.4.6.1 Zulaufwerte

In der folgenden Tabelle sind wichtigsten Zulaufwerte enthalten.

Tab. 6.9 Zulaufkennwerte VA2i

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l Min 43 12 38 15 7 38 3,1 10 7 4 Max 155 70 113 89 31 158 7,3 27 45 35 Mittel 100 33 79 44 17 81 5,3 17 27 19 Anzahl 9 9 7 24 24 24 24,0 24 24 24

Aufgrund der ergiebigen Regenfälle im Versuchsabschnitt 2 floß den Versuchsanlagen

stark verdünntes Abwasser zu. Im Mittel lag der CSB bei ca. 100 mg/l, der BSB5 unter

80 mg/l und der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) bei ca. 45 mg/l. Mit einem mitt-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 78 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

leren TKN von 27 lag das TKN/BSB5-Verhältnis mit 0,34 ähnlich hoch wie im VA1. Im

VA2i konnten zeitweise bis zu 3 mg/l an NO3--N im Zulauf gemessen werden.

6.4.6.2 Ablaufkonzentrationen VA2i

a) Kohlenstoff

Die Ablaufkonzentrationen an Kohlenstoff-Verbindungen wurden aus mengenproportio-

nalen Tagesmischproben bestimmt. Abb. 6.28 zeigt die CSB-Werte und die DOC-

Konzentrationen im Ablauf beider Versuchsanlagen. Die CSB-Ablaufwerte der Ver-

suchsanlage ZENON lagen mit durchschnittlich 11 mg/l geringfügig über denen der

Versuchsanlage WABAG mit 9 mg/l. Bei CSB Werten im Zulauf von 100 mg/l entspricht

dies einer CSB-Elimination von ca. 90 %. Die DOC-Konzentration im Ablauf beider

Versuchsanlagen betrug ca. 6 mg/l.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Versuchstage (VA2)

CS

B u

nd D

OC

im A

blau

f [m

g/l]

WABAGZENON

CSB

DOC

Abb. 6.28 CSB und DOC im Ablauf (WABAG und ZENON, VA2i)

b) Stickstoff

Wie schon im ersten Versuchsabschnitt war die Nitrifikationsleistung der Versuchsanla-

ge WABAG teilweise unbefriedigend. Aufgrund der zeitweise unzureichenden Belüftung

(Sauerstoffkonzentrationen fast bei 0 mg/l) konnte nicht nitrifiziert werden. Besonders

zu Beginn des zweiten Versuchsabschnittes, bei höheren Belastungen, erreichten die

NH4+-N Ablaufkonzentrationen Werte bis über 20 mg/l. Durch die Verdünnung infolge

der Regenereignisse konnte ab dem 10. Versuchstag auch bei der Versuchsanlage

WABAG fast immer vollständig nitrifiziert werden. Die Konzentrationsspitzen an NH4+-N

im Ablauf im darauffolgenden Abschnitt sind auch auf eine Überbelastung der Anlagen

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 79 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

aufgrund von Problemen mit der Vorklärung zurückzuführen. Die NO3--N Konzentratio-

nen im Ablauf der Versuchsanlage WABAG variierten im VA2i zwischen 5 und 30 mg/l,

bei ca. 12,5 mg/l im Tagesmittel.

0

5

10

15

20

25

30

35

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Versuchstage (VA2)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

WABAG

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

Abb. 6.29 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA2i)

Bei der Versuchsanlage ZENON konnte, abgesehen von einigen Überlastungen (wahr-

scheinlich Vorklärung), fast immer vollständig nitrifiziert werden. Die NO3--N Konzentra-

tionen lagen zwischen 2 und 28 mg/l, im Tagesmittel bei 9 mg/l (Abb. 6.30).

0

5

10

15

20

25

30

35

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Versuchstage (VA2)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

ZENON

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

Abb. 6.30 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (ZENON, VA2i)

c) PO43--P -Konzentrationen

Im Gegensatz zum VA1 lassen sich im VA2 die PO43--P-Ablaufkonzentrationen nicht

zur Überprüfung der Schlammbilanz heranziehen. Obwohl in der Anlage WABAG mehr

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 80 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Schlamm produziert worden ist, sind die Ablaufkonzentrationen an PO43--P bei beiden

Anlagen identisch.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

Versuchstage (VA2)

PO

4-P

[mg/

l]

WABAG

ZENON

9:00 Uhr

Abb. 6.31 PO4

3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA2i)

6.4.6.3 Stickstoffelimination

Die aus den Tagesmittelwerten errechnete Stickstoffelimination für beide Versuchsan-

lagen ist in der folgenden Abbildung aufgetragen.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46Versuchstage (VA2)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%] ZENON

WABAG

Abb. 6.32 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA2i)

Die mittlere Stickstoffelimination lag im VA2 bei der Anlage WABAG bei 51 % und bei

der Anlage ZENON bei 65 %. Die unterschiedlichen Eliminationsleistungen resultieren

aus dem höheren VDN/VBB- Verhältnis von 0,4 bei der Anlage ZENON im Vergleich zu

0,3 bei der Anlage WABAG und natürlich aus der ungeregelten Belüftung bei der Anla-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 81 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

ge WABAG. Bei hohen Sauerstoffgehalten im Nitrifikationsbecken, Rezirkulationsraten

von konstant 300 % wird insbesondere bei verdünnten Zulaufverhältnissen das für die

Denitrifikation benötigte organische Substrat durch die rezirkulierte Sauerstofffracht

aufgebraucht. Im Sinne einer Optimierung der Denitrifikation auch bei verdünntem Zu-

lauf ist die Kombination von Sauerstoffversorgung der Biologie und Belüftung der Mem-

branen nicht sinnvoll.

6.4.6.4 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion

Der extrem verdünnte Zulauf hatte natürlich auch eine Auswirkung auf das Schlamm-

wachstum. In Abb. 6.33 ist die Schlammbelastung angegeben. Trotz leicht geringerem

Zulaufvolumenstrom zur Anlage ZENON war aufgrund des geringeren Volumens bei

der Anlage ZENON die Schlammbelastung bei dieser Anlage mit 0,015 noch leicht hö-

her als bei der Anlage WABAG mit 0,012 kgTOC/(kgTS⋅d). Mit einem TOC/CSB-

Zulaufverhältnis von 0,31 entspricht dies ca. 0,05 bzw. 0,04 kgCSB/(kgTS⋅d).

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46Versuchstage (VA2)

TO

C-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gCS

B/(

kgT

S,d

)] ZENON

WABAG

Abb. 6.33 TOC-Schlammbelastung (WABAG und ZENON, VA2i)

Die spezifische Überschußschlammproduktion während des gesamten Versuchs kann

für die Anlage WABAG mit 0,9 kgTS/kgTOC und für die Anlage ZENON mit

1,1 kgTS/kgTOC angegeben werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 82 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46Versuchstage (VA2)

Ert

rags

koef

fizie

nt

[kgT

S/(

kgT

OC

zu,d

)] ZENON WABAG

Abb. 6.34 Spez. ÜS-Produktion (WABAG und ZENON, VA2i)

Die spez. Überschußschlammproduktion kann im VA2i für die Anlage WABAG mit 1,5

und für die Anlage ZENON mit 1,1 kgTS/kgTOCzu angegeben werden (entsprechend

0,47 kgTS/kgCSBzu für die Anlage WABAG und 0,34 kgTS/kgCSBzu für die Anlage ZE-

NON).

Bei den Ertragswerten (spez. Überschußschlammproduktion) ist zu beachten, daß auf-

grund großer Schwankungen des Feststoffgehalts der Versuchsanlagen nicht der zu

jeder Belastung zugehörige Ertrag herangezogen wurde, sondern daß für das

Schlammwachstum nur ein mittlerer Ertrag über den gesamten Versuchszeitraum VA2i

betrachtet wurde.

6.4.7 Zusammenfassung VA2

Im Mittelpunkt der Untersuchungen des zweiten Versuchsabschnittes stand die hydrau-

lische Elastizität der Membransysteme. Diese ist für den Einsatz der Membrantechno-

logie in der kommunalen Abwasserreinigung zur Bewältigung der variablen Zulaufver-

hältnisse von elementarer Bedeutung. Zur Ermittlung der kennzeichnenden hydrauli-

schen Leistungsfähigkeit der Versuchsanlagen wurden Zulaufganglinien vorgegeben,

die den realen Verhältnissen auf der Kläranlage Immenstaad entsprechen.

Unter diesen Voraussetzungen konnte nachgewiesen werden, daß die notwendige hyd-

raulische Elastizität der Membransysteme gegeben ist. Die Elastizität ist sowohl hin-

sichtlich der absoluten Größe als auch hinsichtlich der Geschwindigkeit der Anpassung

an variable Zulaufbedingungen ausreichend. Allerdings führt die variable Belastung zu

einer Abnahme der Membranleistung. Die aus den Versuchen erhaltene maximale hyd-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 83 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

raulischen Leistungen (für eine Temperatur von 10 °C) der unterschiedlichen Memb-

ransysteme ist in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Tab. 6.10 Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit im VA2

WABAG ZENON

max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm l/(m2⋅h) 30 24

Transmembrandruck bei Qm bar 0,32 0,48

zulässiger Fluß bei Trockenwetterzufluß Qt l/(m2⋅h) 16,6 13,3

Transmembrandruck bei Qt bar 0,15 0,24

Wie sich im Verlauf vom VA2 herausstellte, führte der ständige Belastungswechsel zu

einer Abnahme der Permeabilität. Die hydraulische Durchlässigkeit (Permeabilität) ver-

ringerte sich bei der Anlage WABAG von 200 auf 120 l/(m2⋅h⋅bar) und bei der Anlage

ZENON von 70 auf 49 l/(m2⋅h⋅bar).

Bei verdünnten Zulaufverhältnissen stellten sich bei der Versuchsanlage WABAG auf-

grund der Kombination der biologischen Belüftung mit der Membranbelüftung zu hohe

Sauerstoffkonzentrationen in der Biologie ein. Dies führte zu einer weiteren Verringe-

rung der Denitrifikationsleistung.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 84 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.5 Versuchsabschnitt 3 (11.7.97-5.11.97)

6.5.1 Zielsetzung

Im Mittelpunkt des dritten Versuchsabschnittes stand die hydraulische Leistung der

Membransysteme bei kläranlagenproportionaler Beschickung. Gleichzeitig sollte die

Stickstoffelimination unter Einfluß von realen Belastungsstößen infolge von Regener-

eignissen untersucht werden.

Der Beginn des dritten Versuchsabschnittes war gekennzeichnet durch Umbauarbeiten

an den Versuchsanlagen zur Verringerung des Energiebedarf und zur Optimierung der

Nitrifikation bzw. der Denitrifikation. Es wird aber trotzdem der gesamte Versuchsab-

schnitt gewertet, da einige Untersuchungsparameter nicht von den Modifikationen be-

troffen sind und so eine längere Auswerteperiode zur Verfügung steht.

Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt im VA3 war der Einfluß der Rückbelastung

aus der Schlammbehandlung. Hierzu wurde ab Versuchstag 74 das Schlammwasser

unter Umgehung der Vorklärung in die Biologie eingeleitet.

Der Versuch, die BSB5-Zulauffracht zu den Versuchsanlagen durch Beschickung direkt

aus dem Ablauf des Sandfanges zu erhöhen, scheiterte an einer mehrmalige Verstop-

fung der Zulaufpumpe und an Betriebsproblemen mit den Umwälzpumpen in den De-

nitrifikationsreaktoren. Die Funktion der Membraneneinheiten wurde dadurch aber nicht

negativ beeinflußt.

6.5.2 Protokoll und Kennwerte VA3

Die wesentlichen Betriebsunterbrechungen oder Störungen sind im folgenden Protokoll

dargestellt.

Datum Nr. Beschreibung

11.07.97 09:00 0,0 Start mit kläranlagenproportionaler Beschickung; anfangs bei 1/500 dann zwischen 1/250 und 1/300

11.07.97 16:00 0,3 W: Rezirkulation auf 3 m³/h eingestellt

11.07.97 16:00 0,3 W: Niveau auf 3 m Wassertiefe erhöht

15.07.97 08:00 4,0 KA: VKB außer Betrieb, Beschickung mit Ablauf Sandfang

15.07.97 09:00 4,0 W: Luft von 60 auf 75 m³/h erhöht

15.07.97 10:00 4,0 KA: Zulaufpumpe im Ablauf Sandfang verstopft

16.07.97 14:00 5,2 W: Montage Frequenzumrichter für Belüftungsgebläse und Permeatpumpe

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 85 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

28.07.97 10:30 17,1 W: Entleerung Behälter, Installation feinblasige Belüftung

28.07.97 18:30 17,4 W: Wiederinbetriebnahme

29.07.97 13:00 18,2 W: Füllstand auf 2,60 m eingestellt

29.07.97 19:00 18,4 Z: Anlage geleert; Module getauscht (6 alte ZW 150 ausge-baut, 2 neue ZW 500 eingebaut)

01.08.97 12:00 21,1 Z: Anlage wieder in Betrieb

06.08.97 09:40 26,0 Z: Anlage erneut geleert; Austausch falsch eingebauter Teller-belüfter

08.08.97 10:00 28,0 Container: Nitratmessung defekt

13.08.97 09:40 33,0 Z: Ausbau Permeatleitung da undicht

13.08.97 12:00 33,1 W: Ausfall Sicherung; keine Belüftung mehr, Füllstand unter Membranmodule gesunken

14.08.97 09:00 34,0 Z: Probleme mit SPS-Steuerung für neuen Modulbetrieb

15.08.97 09:00 35,0 Z: Ausfall Belüftung (bis 17.7.97)

17.08.97 10:00 37,0 Z: Notabschaltung; zuerst ohne Belüftung; dann wieder mit Belüftung

21.08.97 15:00 41,3 KA: Reparaturarbeiten Faulturm; ca. 100 m³ Trübwasser abgelassen

28.08.97 12:00 48,1 KA: Beginn Dauerregen; hoher Zulauf

31.08.97 22:00 51,5 W: Belüftung ausgefallen (Sicherung)

02.09.97 14:00 53,2 KA: unerklärlich hohe Ammoniumkonzentrationen im Zulauf;

03.09.97 13:00 54,2 KA: Entleerung Nachklärbecken; dadurch hoher Zulauf vorge-täuscht; maximale Beschickung der Anlagen mit Trockenwet-terkonzentration führt zu Überlastungen

04.09.97 13:00 55,2 Z: Anlage abgeschaltet, da Transmembrandruck zu hoch

06.09.97 12:00 57,1 W: Belüftung ausgefallen

09.09.97 09:00 60,0 B: Anlage wird installiert

16.09.97 10:00 67,0 W: Rezirkulation auf 3,3 m³/h gestellt

16.09.97 15:40 67,3 W: Rezirkulation wieder auf 4 m³/h erhöht

17.09.97 09:00 68,0 W: Rezirkulation auf 5 m³/h erhöht

17.09.97 12:00 68,1 KA: Einleitung Trübwasser

23.09.97 14:30 74,2 KA: Beschickung von nun ab aus dem Ablauf Sandfang; Filtrat aus Schlammbehandlung direkt ins Belebungsbecken umge-leitet

24.09.97 09:00 75,0 KA: 30 m³ Trübwasser in den Ablauf Sandfang abgelassen

24.09.97 09:00 75,0 Z: Tauchpumpe DN verstopft

29.09.97 17:00 80,3 Z: Tauchpumpe in DN verstopft; keine Durchmischung mehr, auch keine DN

03.10.97 15:00 84,3 KA: Pumpe im Ablauf Sandfang ist verstopft; kein Zulauf mehr

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 86 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

03.10.97 21:15 84,5 KA: Zulaufpumpe schon wieder verstopft; Ausfall Beschickung bis zum 6.10.97

06.10.97 12:00 87,1 KA: Zulauf wieder aus Ablauf VKB

14.10.97 16:30 95,3 Z: Anlage ausgefallen wegen Sicherung im Verteilerkasten

17.10.97 12:00 98,1 Reinigung Zulaufbehälter; kein Zulauf zu den Anlagen

21.10.97 09:00 102,0 Container: hohe NH4 und NO3 Werte für alle Anlagen; Einlei-tung von Mostwasser durch Winzer?

23.10.97 17:00 104,3 W: Rezirkulations-Pumpe defekt; kein Schlamm mehr in DN!

24.10.97 18:00 105,4 Eingabe neuer Regelparameter durch die Fa. WABAG; an-schließend Totalausfall der Anlage WABAG

27.10.97 09:00 108,0 W: Fehler bei Niveausteuerung; kein Zulauf mehr

28.10.97 11:45 109,1 W: Rezirkulation von 5 auf 4 m³/h reduziert

30.10.97 09:00 111,0 W: erneuter Totalausfall

05.11.97 09:00 117,0 Ende VA3

Der VA3 kann in drei Phasen unterteilt werden. Die folgenden Tabellen listen die wich-

tigsten Betriebseinstellungen auf (VT = Versuchstage).

Tab. 6.11 Einteilung der Versuchsphasen im VA3

VA Datum VT

Datum VT

Tage Bemerkungen

VA3 11.7.97 1

5.11.97 117

117 gesamter Versuchsabschnitt VA3

VA3a 5.11.97 1

23.9.97 74

74

Umbau und Neubetrieb

VA3ai 21.8.97 42

23.9.97 74

33

Intensivuntersuchungsphase 3a

VA3b 23.9.97 74

3.10.97 84

11

Zulauf aus Ablauf Sandfang; nach mehrmaligem Verstopfen der Zulaufpumpe abgebrochen; ohne Rückbelastung

VA3c 6.10.97 87

5.11.97 117

31

Zulauf wieder aus Ablauf Vorklärung; ohne Rück-belastung

VA3ci 14.10.97 96

5.11.97 117

22

Intensivuntersuchungsphase 3c; ohne Rückbelas-tung

Die wesentlichen Kennwerte betreffend die Stoffströme Fest und Flüssig sind in den

folgenden Tabellen zusammengestellt.

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Tab. 6.12 Zusammenstellung Kennwerte VA3a (Unterbrechung in der Umbau-phase ausgeklammert)

VA3a WABAG ZENON WABAG ZENON

Versuchszeitraum Tage 1 - 17 1 - 17 41 -74 41 74

Mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,5 0,88 1,1 0,94

Feststoffgehalt g/l 15 12 19 14

Temperatur °C 20 22 21 21

Abwassermenge m³ 612 360 900 520

Gesamtertrag kg TS 75 56 65 60

Spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,122 0,16 0,072 0,115

Tab. 6.13 Zusammenstellung Kennwerte VA3b (Ablauf Sandfang, 74 bis 84)

VA3b WABAG ZENON

Versuchszeitraum Tage 74 - 84 74 - 84

Mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,76 0,72

Feststoffgehalt g/l 17 16

Temperatur °C 20 20

Abwassermenge m³ 182 178

Gesamtertrag kg TS 43 47

Spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,24 0,26

Der folgende Versuchsabschnitt wird erst nach kurzer Übergangszeit gewertet (wahr-

scheinlich zu kurze Zeit für stationäre Betriebsphase). Zusätzlich sind die Kennwerte für

die Anlage BERGHOF mit enthalten.

Tab. 6.14 Zusammenstellung Kennwerte VA3ci

VA3b WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 96-105 96-117 88-117

Mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,3 1,1 0,9

Feststoffgehalt g/l 13 13 3 - 12

Temperatur °C 17 17 17

Abwassermenge m³ 343,2 607 650

Gesamtertrag kg TS 12 16,4 77

Spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,035 0,027 0,12

Anmerkungen:

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• Die Anlage WABAG ist am Versuchstag 110 übergelaufen und nicht mehr gewertet

worden.

• Die Anlage BERGHOF wurde Mitte September aufgestellt und ab Anfang Oktober

eingefahren.

6.5.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse

Mit Beginn von VA3 wurde der Kläranlagenabfluß aufgezeichnet und zur Berechnung

der Zulaufvolumenströme zu den Versuchsanlagen verwendet.

0100200300400500600700800900

1000110012001300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

Klä

ranl

agen

zuflu

ß [m

³/h] Bemessungszufluß max. Trockenwetterzufluß

Abb. 6.35 Kläranlagenzufluß im gesamten VA3

Bei vereinzelt auftretenden Regenereignissen wurde ein maximaler Zufluß von ca.

1000 m³/h erreicht. Die einzelnen Zulaufspitzen sind nicht auf Regenereignisse, son-

dern auf „kläranlageninterne“ Abläufe zurückzuführen. In der Trockenwetterperiode

(zwischen Tag 70 und 90) schwankte der Zulaufvolumenstrom zur Kläranlage zwischen

70 (nachts) und 300 m³/h in der Mittagsspitze.

Zur Verdeutlichung der Zulaufcharakteristik ist in der Abb. 6.36 der Kläranlagenzufluß

nochmals im Detail für ein Regenereignis nach dem 92. Versuchstag dargestellt. Für

eine Zeitdauer von Mitte des 92. bis Mitte des 94. Versuchstages betrug der mittlere

Zulaufvolumenstrom 850 m³/h, entsprechend einer Gesamtwassermenge von 41.000

m³.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 89 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0100200300400500600700800900

1000110012001300

90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100Versuchstage (VA3)

Klä

ranl

agen

zuflu

ß [m

³/h]

9:00 Uhr

Bemessungszufluß Qmmax. Trockenwetterzufluß Qt

Abb. 6.36 Kläranlagenzufluß im VA3 (Detail)

6.5.4 Hydraulik

Für den Gesamtüberblick werden die gesamten hydraulischen Daten des VA3 angege-

ben.

In der Abb. 6.37 ist der Fluß und der Druck bei der Anlage WABAG dargestellt. Die ma-

ximalen Flüsse betrugen bis zu 43 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken von 0,35 bar.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Versuchstage (VA3)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9p T

M [b

ar]

WABAG Fluß Transmembran-druck

Abb. 6.37 Fluß und Druck (WABAG, VA3)

In Abb. 6.38 sind die entsprechenden Parameter für die Anlage ZENON dargestellt. Vor

dem Tausch der Membranmodule wurde ein Fluß von 30 l/(m2⋅h) erreicht. Vor der drei-

tägigen Betriebsunterbrechung am Versuchstag 8 betrug der korrespondierende

Transmembrandruck 0,5 bar und nach der Betriebspause nur noch 0,35 bar. Mit den

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 90 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

neuen Membranmodulen konnten in der Regel Flüsse von 35 l/(m2⋅h) und kurzfristig bis

40 l/(m2⋅h) erreicht werden. Der Transmembrandruck erhöhte sich kontinuierlich von

0,05 auf 0,3 bis 0,4 bar.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

p TM [b

ar]

Tausch Membranmodule und ÄnderungBetriebsweise <1,4 m³/h mit 40 m²

>1,4 m³/h mit 80 m²Fluß

Druck

ZENON

Abb. 6.38 Fluß und Druck (ZENON, VA3)

Bei der Anlage ZENON ist noch zu berücksichtigen, daß mit dem Tausch der Memb-

ranmodule auch die Betriebsweise geändert wurde. Bis zu einem Zulaufvolumenstrom

von 1,4 m³/h wurde nur mit einem Modul filtriert. Erst bei höheren Zulaufvolumenströ-

men wurde das zweite Modul dazugeschalten.

Die Permeabilität ist in den folgenden Abbildungen für jede Anlage dargestellt.

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Versuchstage (VA3)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/(m

²hba

r)]

ZENON

WABAG

Tausch Module ZENON

Um

bau

Bel

üftu

ng

Abb. 6.39 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA3)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 91 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei der Anlage WABAG hatte der Umbau der Belüftung (Tag 17, Installation feinblasige

Belüftung) keine spürbare Änderung der Permeabilität zur Folge. Der bereits vorherr-

schende Trend einer leichten Verbesserung ab VT 14 wurde nicht beeinflußt. Die dras-

tische Verringerung der Permeabilität am VT 28 wurde durch den Ausfall der Belüftung

(Sicherung) hervorgerufen. Insgesamt zeigte sich bei der Anlage WABAG eine Erhö-

hung der Permeabilität. Zum Versuchsende von VA3 wurden ca. 180 l/(m2⋅h⋅bar) er-

reicht.

Bei der Anlage ZENON blieb zu Versuchsbeginn der Wert aus dem letzten Versuchs-

abschnitt mit ca. 50 l/(m2⋅h⋅bar) konstant. Durch eine mehrtägige Pause konnte nach

Wiederinbetriebnahme kurzfristig eine Permeabilität von 100 mit anschließend konstan-

ten 75 l/(m2⋅h⋅bar) gemessen werden. Nach dem Tausch der Membranmodule stellten

sich Permeabilitäten von über 300 l/(m2⋅h⋅bar) ein. Innerhalb der nächsten 35 Tage

nahm die Permeabilität kontinuierlich auf Werte von 100 l/(m2⋅h⋅bar) ab. Auf diesem

Niveau blieb die Permeabilität bis zum Versuchstag 84. Die Erhöhung der hydrauli-

schen Belastung ab VT 84 (parallel mit der Umstellung auf Ablauf VKB) führte zu einer

weiteren Abnahme der Membranleistung auf nur noch 70 l/(m2⋅h⋅bar).

In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,

normiert auf 10°C, angegeben. Bei der Anlage WABAG konnten maximale Flüsse von

34 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken von 0,35 bar erzielt werden. Diese Werte liegen

über denen von VA2, was sich auch schon an der Erhöhung der Permeabilität ablesen

läßt. Der Bemessungsfluß für Trockenwetterzufluß ist auf einen Wert von 18,8 l/(m2⋅h)

angestiegen (bei einem Druck von 0,17 bar).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

WABAG

Abb. 6.40 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA3)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 92 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei der Anlage ZENON sind nur die Wertepaare für die neuen Module (ab VT 20) auf-

getragen. Durch die schnelle Abnahme der Permeabilität nach Einbau der neuen Mo-

dule flachte auch die Fluß-Druck-Gerade mit zunehmender Versuchsdauer ab. Die un-

teren Wertepaare entsprechen der niedrigen Permeabilität ab Versuchstag 90. Wird

nicht von einer Reinigung der Module nach einer Betriebszeit von 70 Tagen ausgegan-

gen, ist mit einem maximalen Fluß von 25 l/(m2⋅h) bei einem Transmembrandruck von

0,4 bar zu rechnen. Der Trockenwetterzufluß sollte 13,9 l/(m2⋅h) bei einem entspre-

chenden Transmembrandruck von 0,18 bar nicht überschreiten.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

ZENON

Abb. 6.41 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA3)

6.5.5 Chemisch-physikalische Parameter

In den folgenden Diagrammen sind die Parameter der einzelnen Versuchsanlagen im

gesamten VA3 dargestellt.

Die Temperatur in den Versuchsanlagen reduzierte sich von ca. 20 °C zu Versuchsbe-

ginn auf 15 °C zu Versuchsende. Besonders deutlich ist die Auswirkung von starken

Regenereignissen auf die Temperatur zu erkennen. Mit einsetzendem Mischwasser-

zufluß verringert sich die Temperatur im Belebungsbecken schlagartig um mehr als

5 °C. Bei der Temperaturmessung der Anlage ZENON ist zu beachten, daß die

Meßstelle in der Rezirkulationsleitung im Container angeordnet war. Bei Anlagenstill-

stand wurde die Temperatur des Containers und nicht des Nitrifikationsbeckens ange-

zeigt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 93 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5

25,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Regenereignisse

SauerstoffpH-Wert

Temperatur

WABAG

Abb. 6.42 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA3)

Wie schon in den vorangegangenen Versuchsabschnitten variierte die Sauerstoffkon-

zentration in der Nitrifikationszone bei der Anlage WABAG erheblich. Es wurde in der

Regel eine Sauerstoffkonzentration von bis zu 5 mg/l erzielt. Die Nachteile für die De-

nitrifikation sind schon beschrieben worden.

0,0

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5

25,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Sauerstoff

pH-Wert

Temperatur

ZENON

Abb. 6.43 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA3)

Bei der Anlage ZENON konnte die Sauerstoffkonzentration durch das geregelte Geblä-

se für die Biologie konstant auf einen eingestellten Sollwert gehalten werden. Dieser lag

bei Versuchsbeginn bei 0,8 und gegen Ende bei 0,5 mg/l (Abb. 6.43).

In den folgenden Abbildungen sind Feststoffgehalt und Glühverlust der Anlagen darge-

stellt. Bis zum Versuchstag 70 wurde der Feststoffgehalt bei der Anlage WABAG bei

Page 103: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 94 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

ca. 17 bis 20 g/l gehalten. Ab Versuchstag 70 verringerte sich der Feststoffgehalt infol-

ge konstantem Überschußschlammabzug auf ca. 12 g/l.

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

TS

[g/l]

Anlage übergelaufen

Anlage geleert und Belüftung umgebaut

WABAG

Abb. 6.44 Feststoffgehalt (WABAG, VA3)

Bei der Anlage ZENON lag der Feststoffgehalt zu Versuchsbeginn bei ca. 15 g/l. Nach

Entleerung des Behälters, Zwischenspeicherung des Schlammes und Wiederinbetrieb-

nahme verringerte sich der Feststoffgehalt ab Versuchstag 28 kontinuierlich von 14 auf

10 g/l, ohne Abzug von Überschußschlamm. Ab Versuchstag 40 stieg der Feststoffge-

halt wieder kontinuierlich auf 15 g/l an und Überschußschlamm wurde wieder täglich

abgezogen.

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

TS

[g/l]

Anlage geleert undModule ausgetauscht

ZENON

Abb. 6.45 Feststoffgehalt (ZENON, VA3)

Der Glühverlust wurde bei der Anlage WABAG im VA3 nicht bestimmt. Bei der Anlage

ZENON wurde der Glühverlust am VT 100 zu 72,4 % bestimmt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 95 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.5.6 Intensivuntersuchungen im Versuchsabschnitt 3

6.5.6.1 Zulaufwerte

In den folgenden Tabellen sind die Zulaufkennwerte für die Intensivuntersuchungspha-

se 3ai enthalten.

Tab. 6.15 Zulaufkennwerte VA3ai (21.8.97 bis 23.09.97, VT 42 bis VT 74)

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

Pge

s

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l Min 77 31 47 24 13 56 3,0 17 15 10 2,5 Max 470 131 215 143 88 564 12,1 55 122 97 8,3 Mittel 226 70 123 60 26 126 6,8 27 51 36 5,4 Anzahl 9 9 5 33 20 21 21,0 21 33 21 9,0

Der Verlauf von CSB, TOC und TKN im Zulauf ist in der folgenden Abbildung für den

VA3ai dargestellt. Sehr gut ist der Wochenrythmus bei den TKN und TOC-

Konzentrationen im Zulauf mit einem Minimum am Sonntag (VT 51, 58, 65, 72) zu er-

kennen. das mittlere TKN/BSB5-Verhältns betrug 0,41.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74

Versuchstage (VA3)

CS

B, T

OC

und

TK

N im

Z

ulau

f [m

g/l]

CSB_zuTOC_zu

TKN_zu

Abb. 6.46 Zulaufwerte im VA3ai

Die Intensivuntersuchungsphase 3ci zeichnete sich dadurch aus, daß die Rückbelas-

tung aus der Schlammbehandlung aus dem Zulauf zu den Versuchsanlagen herausge-

nommen wurde. Die Kennwerte sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 96 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Tab. 6.16 Zulaufkennwerte VA3ci (14.10. bis 5.11.97 VT 96-117)

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

Pge

s

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 203 55 79 23 17 117 5,0 15 25 15 3,5 Max 633 281 265 244 67 363 8,3 59 60 39 8,2 Mittel 442 110 201 129 36 220 7,6 33 51 32 6,5 Anzahl 12 10 10 19 21 22 22,0 22 22 22 10,0

Das für die Denitrifikation entscheidende TKN/BSB5-Verhältnis betrug in diesem Inten-

sivuntersuchungsabschnitt ohne Rückbelastung im Mittel 0,25.

Der Verlauf der gemessenen Zulaufwerte für CSB, TOC und TKN ist in Abbildung 42

dargestellt. Bedingt durch die intensive Regenperiode bis zum 96. Versuchstag kam es

im weiteren Untersuchungszeitraum zu einem kontinuierlichen Anstieg der Zulaufkon-

zentrationen. Hierbei war der Anstieg der CSB-Werte wesentlich stärker ausgeprägt als

der Anstieg der TOC und TKN Konzentrationen.

0

100

200

300

400

500

600

700

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118

Versuchstage (VA3)

CS

B, T

OC

und

TK

N im

Z

ulau

f [m

g/l]

CSB_zuTOC_zu

TKN_zu

Abb. 6.47 Zulaufwerte im VA3ci

6.5.6.2 Ablaufkonzentrationen

a) Kohlenstoff

Bedingt durch technische Probleme mit den Probenehmern konnte im Intensiv-

untersuchungsabschnitt VA3ai nur eine Ablaufprobe gezogen werden. Die DOC-

Konzentrationen an diesem Versuchstag (Nr. 42) lagen bei 8 mg/l im Ablauf für die An-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 97 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

lagen WABAG und ZENON. Im Intensivuntersuchungsabschnitt VA3ci wurde von allen

drei Anlagen gleichzeitig Probe gezogen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungsphase,

die im Anschluß an eine Regenperiode folgte (vgl. Abb. 6.35), sind in der Abb. 6.48

dargestellt. Mit zunehmenden CSB-Werten im Zulauf erhöhten sich auch die CSB-

Ablaufwerte. Die mittlere CSB-Elimination blieb im VA3ci mit ca. 95 % annähernd kon-

stant.

0

5

10

15

20

25

30

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118

Versuchstage (VA3)

CS

B u

nd D

OC

im A

blau

f [m

g/l]

WABAGZENONBERGHOF

CSB

DOC

Abb. 6.48 CSB und DOC im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA3ci)

b) Stickstoff

In den folgenden beiden Abbildungen sind die Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der

Versuchsanlagen WABAG und ZENON für den VA3ai dargestellt.

Bei ausreichender Sauerstoffversorgung und damit vollständiger Nitrifikation erreichen

die Nitrat-Ablaufkonzentrationen bei den Anlagen Werte von über 40 mg/l. Wie aber an

dem ausgeprägten Wochenrythmus zu erkennen ist (So. eingetragen) liegt dies eindeu-

tig an der zu hohen Rückbelastung durch das Abwasser aus der Schlammbehandlung.

Bei der Anlage WABAG konnte trotz feinblasiger Belüftung nicht ausreichend Sauer-

stoff für eine vollständige Nitrifikation zugeführt werden. Bei Belastungsspitzen (VT 59

und 61) erreichten die Ammoniumablaufkonzentrationen den Meßbereich des Ammo-

niummeßgerätes von 20 mg/l.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 98 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74

Versuchstage (VA3)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l] Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

WABAG

9:00 Uhr

So. So.So.So.

So.

Abb. 6.49 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA3ai)

Bei der Anlage ZENON schlugen die Belastungsspitzen des TKN weniger ausgeprägt

auf die Ammoniumablaufkonzentrationen durch. Nur am VT 53 konnte nicht ausrei-

chend Sauerstoff zugeführt werden und die NH4+-N - Ablaufkonzentrationen stiegen

kurzfristig auf 20 mg/l an.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

ZENON

9:00 Uhr

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

So. So. So.So.So.

Abb. 6.50 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (ZENON, VA3ai)

In den folgenden Abbildungen sind die Stickstoffablaufkonzentrationen in der Phase

ohne Rückbelastung aus der Schlammbehandlung dargestellt.

Wie in Abb. 6.51 zu erkennen ist, kam es bei der Versuchsanlage WABAG wie schon

vorher, zu keiner vollständigen Nitrifikation. Abgesehen von drei Ausnahmen zu Beginn

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 99 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

von VA3ci blieben die Ammoniumablaufkonzentrationen im weiteren Verlauf aber unter

5 mg/l. Die NO3--N-Konzentrationen schwankten zwischen 0 und knapp 25 mg/l.

0

5

10

15

20

25

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118

Versuchstage (VA3)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

WABAG

9:00 Uhr

Abb. 6.51 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (WABAG, VA3ci)

Auch bei der Versuchsanlage ZENON war die Nitrifikation zu Beginn von Va3ci nicht

vollständig. Im weiteren Verlauf konnte kaum noch Ammonium im Ablauf nachgewiesen

werden. Die Nitratkonzentrationen im Ablauf schwankten zwischen 5 und knapp

20 mg/l.

0

5

10

15

20

25

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

ZENON

9:00 Uhr

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

So.

So.

So.

So.

Abb. 6.52 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (ZENON, VA3ci)

In der folgenden Abbildung sind die Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Anlage

BERGHOF im VA3ci dargestellt. Die Anlage BERGHOF befand sich noch in der

Optimierungsphase, die Regelung der Nitrifikation war noch völlig unzureichend.

Page 109: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 100 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

30

35

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)

NO

3- -N, N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

Nitrat im Ablauf

Ammonium im AblaufBERGHOF

Abb. 6.53 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (BERGHOF, VA3ci)

c) PO43--P -Konzentrationen

Im Gegensatz zu den Stickstoffkonzentrationen zeigten die PO43--P-Konzentrationen im

Ablauf der Versuchsanlagen eine wesentlich geringere Schwankung im Tagesverlauf.

Jedoch zeigte sich jeweils zu Wochenbeginn - mit Beginn der Schlammpressungen -

eine deutliche Abnahme der PO43--P Konzentrationen im Ablauf der Versuchsanlagen.

0

1

2

3

4

5

6

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)

PO

43--P

im A

blau

f [m

g/l] WABAGZENON

Abb. 6.54 PO4

3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA3ai)

In der folgenden Abbildung ist der Verlauf der PO43--P-Konzentrationen im Versuchsab-

schnitt VA3ci aufgetragen. Zusätzlich sind noch die Konzentrationen der Anlage

BERGHOF mit aufgeführt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 101 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

1

2

3

4

5

6

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)

PO

43--P

im A

blau

f [m

g/l] WABAG

ZENONBERGHOF

Abb. 6.55 PO4

3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA3ci)

Der Verlauf der P-Konzentrationen im Ablauf ist parallel mit der Zunahme der CSB-

Werte im Zulauf. Bis zum Versuchstag 100 konnten für alle drei Anlagen identische Ab-

laufkonzentrationen gemessen werden. Im weiteren Verlauf liegen die Konzentrationen

bei der Anlage BERGHOF über denen der anderen Anlagen.

6.5.6.3 Stickstoffelimination

Der Einfluß der Rückbelastung wird besonders bei der Stickstoffelimination deutlich. Im

VA3ai (mit Rückbelastung) lag die mittlere Stickstoffelimination für die Anlage WABAG

bei 60 und für die Anlage ZENON bei 64 % (vgl. Abb. 6.56). Bei mittleren TKN-

Konzentrationen von 51 mg/l im Zulauf lag die Summe von Ammonium- und Nitratstick-

stoff im Ablauf der Anlage WABAG bei 30 mg/l und bei der Anlage ZENON bei 24 mg/l.

Die Stickstoffelimination kann als unzureichend bezeichnet werden (Abb. 6.56).

0

10

20

3040

50

60

7080

90

100

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%]

WABAGZENON

Abb. 6.56 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA3ai)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 102 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Durch Wegnahme der Rückbelastung aus der Schlammbehandlung erhöhte sich die

Stickstoffelimination bei den Versuchsanlagen.

0

10

20

3040

50

60

7080

90

100

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.57 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA3ci)

Im VA3ci wurde im Mittel von der Versuchsanlage ZENON 80 % Stickstoffelimination

erreicht. Bei der Anlage WABAG im Mittel 70 %, wobei hier allerdings der Ausfall ab

Versuchstag 105 nicht gewertet wurde. Die Anlage BERGHOF erreichte im Mittel 61 %

Stickstoffelimination, wobei hier noch ein Großteil in Form von Ammoniumstickstoff vor-

lag (Anlage BERGHOF noch in der Optimierungsphase).

Im Vergleich zum Versuchsabschnitt mit Rückbelastung konnte die Stickstoffelimination

um 10 bis 16 Prozentpunkte gesteigert werden. Mit durchschnittlichen Ablaufwerten

von ca. 10 mg/l bei der Anlage ZENON und 15 mg/l bei der Anlage WABAG können die

Überwachungswerte zwar im Tagesmittel, aber immer noch nicht mit ausreichender

Sicherheit (vgl. maximale Nitratkonzentration in Abb. 6.51 und Abb. 6.52) in der

relevanten 2 h Mischprobe eingehalten werden. Nur mit getrennter Behandlung des

Abwassers aus der Schlammbehandlung alleine kann die erforderliche

Stickstoffelimination folglich auch nicht erreicht werden. Inwieweit eine zusätzliche

Verkleinerung der Vorklärung zusammen mit einer Verringerung der Rückbelastung

aus der Schlammbehandlung die sichere Einhaltung der Stickstoff-Überwachungswerte

gewährleistet, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. In jedem Fall ist bei der

Ausbauplanung der Kläranlage auf zusätzliche Maßnahmen zur Stickstoffelimination zu

achten. Diese müssen eine Verkleinerung der Vorklärung und eine Bewirtschaftung der

Abwässer aus der Schlammbehandlung beinhalten.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 103 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.5.6.4 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion

Zur Verdeutlichung der Auswertungsmethode für die Schlammbelastung und die Über-

schußschlammproduktion ist in der folgenden Abbildung beispielhaft der Gesamtertrag

bei der Anlage WABAG im VA3 dargestellt. Dieser Gesamtertrag berücksichtigt sowohl

die im Reaktor zugewachsene als auch die mit dem Überschußschlamm abgezogene

Schlammasse. In den einzelnen Versuchsabschnitten wird durch Mittelwertbildung die

mittlere tägliche Schlammzunahme ermittelt. Für die Berechnung der spezifischen Ü-

berschußschlammproduktion wird dann dieser gemittelte täglich Zuwachs zur Zulauf-

fracht in Beziehung gesetzt.

y = 4,2416x

y = 1,0325x + 57,683

y = 1,7895x + 28,986

y = 4,2591x - 172,9

y = 1,1353x + 138,35

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

Ges

amte

rtra

g [k

g]

Abb. 6.58 Schlammzuwachs (Anlage WABAG, VA3)

Die Schlammbelastungen, berechnet aus dem Verhältnis von Zulauffracht zu mittlerer

Feststoffmasse im System, ist für die Versuchsanlagen in den Intensivuntersuchungs-

phasen VA3ai und VA3ci in den folgenden beiden Abbildungen dargestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 104 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)

TO

C-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gTO

C/(

kgT

S,d

)]

WABAGZENON

Abb. 6.59 TOC-Schlammbelastung (WABAG und ZENON, VA3ai)

Die mittleren Schlammbelastungen betrugen im VA3ai 0,01 bzw.

0,043 kgTOC/(kgTS⋅d) für die Anlage WABAG und 0,014 kgTOC/(kgTS⋅d) bzw.

0,058 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON (Abb. 6.59).

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)

TO

C-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gTO

C/(

kgT

S,d

)]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.60 TOC-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA3ci)

Im VA3ci lagen die Belastungen höher als im VA3ai. Im Mittel bei 0,027 bzw.

0,096 kgTOC/(kgTS⋅d) für die Anlage WABAG und 0,037 kgTOC/(kgTS⋅d) bzw.

0,132 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON. Die mittleren Belastungen der Anlage

BERGHOF betrugen 0,04 kgTOC/(kgTS⋅d) bzw. 0,12 kgCSB/(kgTS⋅d).

In der folgenden Abbildung ist die spezifische Überschußschlammproduktion zusam-

men für die Versuchsabschnitte 3ai und 3ci angegeben

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 105 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

42 48 54 60 66 72 78 84 90 96 102 108 114

Versuchstage (VA3)

Ert

rags

koef

fizie

nt

[kgT

S/(

kgT

OC

zu,d

)]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.61 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA3ai und 3ci)

Im VA3ai kann die mittlere spezifische Überschußschlammproduktion wie folgt ange-

geben werden (auf den CSB bezogene ÜS-Produktion nicht abgebildet):

• Anlage WABAG: 1,61 kgTS/kgTOCzu bzw. 0,61 kgTS/kgCSBzu

• Anlage ZENON: 1,9 bzw. 0,6

und im VA3ci (Abb. 6.61):

• Anlage WABAG: 0,45 kgTS/kgTOCzu bzw. 0,1 kgTS/kgCSBzu

• Anlage ZENON: 0,3 bzw. 0,08

• Anlage BERGHOF: 1,2 bzw. 0,3

Die niedrigere spezifische Überschußschlammproduktion im VA3ci im Vergleich zum

VA3ai - trotz höherer Belastung - kann durch die intensiven Niederschläge mit verdünn-

tem Zulauf in der Zeit vom 90 bis 95 erklärt werden. Die Systeme befanden sich noch

nicht in einer stationären Phase und bei der Mittelwertbildung des Schlammzuwachses

wurde die Niedriglastphase kurz vor VA3ci mit eingerechnet.

6.5.7 Zusammenfassung VA3

Im Mittelpunkt des dritten Versuchsabschnittes stand die hydraulische Leistung der

Membransysteme bei kläranlagenproportionaler Beschickung und die Stickstoffelimina-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 106 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

tion unter Einfluß von realen Belastungsstößen infolge von Regenereignissen sowie die

Beurteilung von Maßnahmen zur Verbesserung der Stickstoffelimination.

Bei variablen Beschickungen zwischen umgerechnet 6 und 45 l/(m²⋅h) konnte bei der

Versuchsanlage WABAG eine hohe Membranleistung mit zunehmender Tendenz ge-

messen werden. Die Permeabilität erhöhte sich im Versuchsabschnitt 3 von 130

l/(m²⋅h⋅bar) auf 180 l/(m²⋅h bar).

Bei der Anlage ZENON wurde zu Beginn des Versuchsabschnittes die Membranmodu-

le vom Typ ZW150 gegen neue Module vom Typ ZW500 mit optimierter Luftzufuhr

ausgetauscht. Die Permeabilität dieser neuen Module nahm nach dem Einbau von an-

fänglich über 300 l/(m²⋅h⋅bar) innerhalb von 35 Tagen auf 100 l/(m²⋅h⋅bar) und im weite-

ren Versuchsverlauf auf 70 l/(m²⋅h⋅bar) ab.

Die für eine Bemessung maßgebenden Flüsse bei einer Abwassertemperatur von

10 °C sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tab. 6.17 Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit im VA3

WABAG ZENON

max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm [l/(m2⋅h)] 35 25

Transmembrandruck bei Qm [bar] 0,35 0,4

zulässiger Fluß bei Trockenwetterzufluß Qt [l/(m2⋅h)] 18,8 13,9

Transmembrandruck bei Qt [bar] 0,17 0,18

Die Stickstoffelimination mit Rückbelastungseinfluß lag bei der Versuchsanlage WA-

BAG bei ca. 60 % und bei der Anlage ZENON bei ca. 64 %, die mittleren Nanorg-

Ablaufkonzentrationen lagen für die Anlage WABAG bei 30 mg/l und bei der Anlage

ZENON bei 24 mg/l. Die Tagesspitzen erreichten Werte von über 40 mg/l Nanorg im Ab-

lauf.

Im Versuchsabschnitt ohne Rückbelastung konnte die Stickstoffelimination um 10 bis

16 Prozentpunkte erhöht werden. Jedoch konnte der Überwachungswert von 18 mg/l

Nanorg auch bei dieser Betriebseinstellung nicht eingehalten werden. Für den Ausbau

der Kläranlage Immenstaad zur Stickstoffelimination ist - unabhängig von der Verfah-

renswahl – auf besondere Maßnahmen zur Verbesserung der Stickstoffsituation zu

achten. Hierzu muß neben einer Bewirtschaftung der Abwässer aus der Schlammbe-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 107 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

handlung auch die Verkleinerung der Vorklärung zur Verbesserung des TKN/BSB5-

Verhältnisses gehören.

Die durchschnittlich geringere Stickstoffeliminationsleistung bei der Anlage WABAG ist

auf die Kombination von Membran- und Biologiebelüftung zurückzuführen. Bei niedri-

gen Zulaufkonzentrationen stellt sich aufgrund der vorgegebenen Mindestbelüftung für

die Membranfiltration ein hoher Sauerstoffgehalt in der Nitrifikationszone ein. Dadurch

wird die ohnehin schon geringe Denitrifikationsleistung noch weiter verringert. Anderer-

seits konnte bei der Anlage WABAG bei hohen Zulaufkonzentrationen mit der vorhan-

denen Belüftungsanordnung nicht genügend Sauerstoff für eine vollständige Nitrifikati-

on zugeführt werden.

Die mittleren Schlammbelastungen betrugen im VA3ai für die Anlage WABAG

0,043 kgCSB/(kgTS⋅d) und für die Anlage ZENON 0,058 kgCSB/(kgTS⋅d). Die resultie-

renden spezifischen Überschußschlammproduktionen betrugen bei beiden Anlagen

0,6 kgTS/kgCSBzu.

Im VA3ci wurden bei höheren Belastungen (0,10 für die Anlage WABAG und

0,13 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON) niedrigere spezifische Über-

schußschlammproduktionen ermittelt. Die Werte betrugen 0,1 kgTS/kgCSBzu für die

Anlage WABAG und 0,08 kgTS/kgCSBzu für die Anlage ZENON. Ursache hierfür war

der instationäre Betrieb der Versuchsanlagen im VA3ci unmittelbar nach einer längeren

Regenperiode.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 108 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.6 Versuchsabschnitt 4 (5.11.97 bis 07.01.98)

6.6.1 Zielsetzung

Im Mittelpunkt des vierten Versuchsabschnittes stand die Phosphorelimination der

Membran-Versuchsanlagen bei kläranlagenproportionaler Beschickung. Zielvorgabe

war hier die Einhaltung der Überwachungswerte im Ablauf der Versuchsanlagen von

0,3 mg/l Pges im Tagesmittel und 1,0 mg/l Pges in der qualifizierten Stichprobe.

Aufgrund der kälteren Witterungsperiode konnten zusätzlich wichtige Zusammenhänge

zwischen Temperatur und Anlagenleistung gewonnen werden.

6.6.2 Protokoll und Kennwerte VA4

Der VA4 begann am 5.11.97 (VT1) und endete am 7.1.98 (VT117). Die Intensivunter-

suchungsphase dauerte vom 3.12.97 (VT 28) bis zum 22.12.97 (VT 47). Nachfolgend

sind die wichtigsten Ereignisse aufgelistet:

10.11.97 09:00 5,0 ZENON: Zulauf ausgefallen

10.11.97 10:00 5,0 WABAG: Fällung gestartet

10.11.97 12:00 5,1 BERGHOF: Austausch Modul 1 gegen Typ 61100 und Modul 2 gegen gereinigtes Modul Typ 37100

11.11.97 16:00 6,3 ZENON: Fällung gestartet

12.11.97 10:00 7,0 WABAG: Rezirkulationspumpe ausgefallen

12.11.97 13:00 7,2 KA: Beginn Regenereignis

13.11.97 17:00 8,3 ZENON: neue Gebläse (Rootsgebläse) eingebaut

20.11.97 12:00 15,1 WABAG: Inbetriebnahme Gebläseabschaltung: bei O2 > 3 mg/l für 600 s bei Niveau < 295 und Qzu < 1,5

20.11.97 13:00 15,2 WABAG: bis 15 Uhr falsche Ablaufanalysen (von BERGHOF)

21.11.97 15:00 16,3 BERGHOF: Einbau von zwei Prallplatten und zwei Bögen zur Optimierung des Sauerstoffeintrages und der Denitrifikation

21.11.97 10:00 16,0 WABAG: Fällmitteldosierung verdoppelt

21.11.97 11:00 16,1 WABAG: Rezirkulation auf 5 m³/h erhöht

21.11.97 11:30 16,1 ZENON: Fällmitteldosierung verdoppelt

24.11.97 12:00 19,1 ZENON: Anlage ausgefallen (bis zum 25.11. 11 Uhr)

30.11.97 16:00 25,2 ZENON: Dauerbetieb mit beiden Modulen

02.12.97 09:00 27,0 KA: Fäkalieneinleitungen am Wochenanfang verursacht hohe Ablaufkonzentrationen des Stickstoffes

02.12.97 12:00 27,1 BERGHOF: Installation Vorlagebehälter zur diskontinuierlichen Beschickung

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 109 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

04.12.97 12:00 29,1 BERGHOF: Reinigung Module 2 und 4

06.12.97 10:00 31,0 BERGHOF: kein Zulauf da Stator Zulaufpumpe defekt

08.12.97 09:00 33,0 alle Anlagen: Dosierbehälter leergelaufen!!

10.12.97 13:00 35,2 Zulaufbehälter nach Sieb gereinigt; Zulaufpumpen aus

12.12.97 12:00 37,1 WABAG: Strommessung für Gebläse jetzt vor FU

15.12.97 15:00 40,3 BERGHOF: Regelung N/DN durch Ammoniummessung im Ablauf

16.12.97 09:00 41,0 BERGHOF: Tausch Modul 4 (jetzt 61100); Ausfall der SPS (bis 19.12.97)

19.12.97 10:00 44,0 ZENON: O2-Elektrode neu kalibriert; jetzt Nitrifikation wieder besser

20.12.97 12:00 45,1 BERGHOF: Zulauf ausgefallen (Motorschütz)

Nicht aufgeführt sind die wöchentlich ein- bis zweimal durchgeführten Modulreinigun-

gen bei der Anlage BERGHOF. Aufgrund der groben Feinsiebung mit nur 3 mm ver-

bunden mit einem geringen Rückhalt von Fasern (wurden durch das Sieb gedrückt)

kam es immer wieder zu Verstopfungen im Zulaufbereich zu den Membranen. Die Ver-

stopfungen mußten manuell beseitigt werden.

Die wesentlichen baulichen Änderungen bei den Versuchsanlagen werden noch kurz

beschrieben:

Anlage WABAG:

Die Belüftung der Versuchsanlage wurde so umgebaut, daß bei nicht zu hohem Füll-

stand und ausreichender Sauerstoffkonzentration in der Nitrifikationszone das Gebläse

ausgeschaltet wird. Gleichzeitig wird der Permeatabzug abgestellt. Bei hohem Füllstand

und/oder zu niedriger Sauerstoffkonzentration wird das Gebläse wieder eingeschaltet

und Permeat abgezogen. Durch diese Maßnahme wird zum einen die Denitrifikation

verbessert (weniger Sauerstoff wird in die DN-Zone rezirkuliert) und der Energiebedarf

vermindert.

Anlage ZENON

a) Tausch Gebläse

Die vorhandenen Gebläse wurden durch effektivere Rootsgebläse ersetzt um den

Stromverbrauch für die Belüftung zu senken.

b) Dauerbetrieb Membranmodule

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 110 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Aufgrund der konstant niedrigen Membranleistung reichte ein Modul zur Bewältigung

des Trockenwetterzuflusses nicht mehr aus und es wurde auf Dauerbetrieb mit zwei

Modulen umgeschaltet.

Anlage BERGHOF

a) Tausch Rohrmodule

Die zu Beginn eingebauten Module (Typ 37100, 12,5 m² Membranfläche) erbrachten

nicht die erforderliche Leistung und wurden Zug um Zug durch den Typ 61100 (11 m²

Membranfläche) ersetzt.

b) Umbau der Oberflächenbelüftung

Bedingt durch die konstruktive Ausbildung der Modulanschlüsse im oberen Bereich fal-

len die Umwälzströme zentral auf einen Punkt und erreichen nicht die erforderliche

Sauerstoffzufuhr. Zur Verbesserung der Belüftung wurden in zwei Loops Prallplatten (1

und 3) in den Reaktorkopf eingebaut um den Umwälzstrom aufzuweiten. In die beiden

anderen Loops (2 und 4) wurden Bögen zur Umlenkung des Umwälzstroms um 90°

nach unten und zur Einbringung unter der Wasseroberfläche eingebaut. Dadurch die-

nen diese Loops nur noch der Denitrifikation und es kann nur noch mit den Loops 1 und

3 belüftet werden.

c) Umbau diskontinuierliche Beschickung

Zur besseren Ausnutzung der Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation erfolgte die Be-

schickung diskontinuierlich zu Beginn der Denitrifikationsphase. Die während der Nitrifi-

kationsphase zufließende Wassermenge wurde in einem Vorlagebehälter von 1 m³

zwischengespeichert.

In der folgenden Tabelle sind die Kennwerte für den Versuchsabschnitt 4 angegeben.

Tab. 6.18 Zusammenstellung Kennwerte im VA4

VA4a WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 1-63 1-63 1-63

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,26 0,97 0,98

Feststoffgehalt g/l 14 15 14

Temperatur °C 13 14 13

Abwassermenge m³ 1.905 1.470 1.480

Gesamtertrag kg TS 280 210 170

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,15 0,14 0,111)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 111 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

1) P-Fällung später begonnen

Die Kennwerte des Intensivuntersuchungsabschnittes sind in nachstehender Tabelle

zusammengefaßt.

Tab. 6.19 Zusammenstellung Kennwerte im VA4i

VA4a WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 28-47 28-47 28-47

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,23 1,12 0,95

Feststoffgehalt g/l 14 17 13

Temperatur °C 12 13 12

Abwassermenge m³ 560 510 433

Gesamtertrag kg TS 75 61 44

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,13 0,12 0,10

6.6.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse

Wie im Versuchsabschnitt 3 diente der gemessene Kläranlagenablauf zur Berechnung

der Anlagenvolumenströme. Die Proportionalitätsfaktoren für die Anlagen schwankten

zwischen 1/250 und 1/300.

In Abb. 6.62 ist der Kläranlagenablauf dargestellt. Bei Regenereignissen wurde ein ma-

ximaler Zufluß von ca. 1100 m³/h erreicht. Dabei waren drei Regenereignisse sehr aus-

geprägt und dauerten mehrere Tage. Hierauf wird im Abschnitt Hydraulik gesondert

eingegangen. In Trockenwetterperioden betrug der maximale Tageszufluß nur noch ca.

250 m3/h und der minimale Nachtzufluß lag bei ca. 70 m³/h.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß erstmals seit Versuchsbeginn die Anlagen

auch durchgehend mit Mischwasser beschickt wurden. Das ausgeprägte Regenereig-

nis zu Beginn von VA3 fiel in die Umbauphase der Versuchsanlagen (Austausch Mem-

branmodule bei ZENON und Umbau Belüftung bei WABAG). Im VA2 erfolgte immer

nur eine kurzzeitige maximale Beschickung über eine Dauer von 2 Stunden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 112 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0100200300400500600700800900

1000110012001300

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

Klä

ranl

agen

zuflu

ß [m

³/h]

Trockenwetter-zufluß Qt

Bemessungszufluß Qm

Abb. 6.62 Kläranlagenzufluß im gesamten VA4

6.6.4 Hydraulik

Für den Gesamtüberblick werden die gesamten hydraulischen Daten des VA4 angege-

ben. Wie im vorhergegangenen Versuchsabschnitt wurden die Versuchsanlagen nach

Möglichkeit proportional zum Kläranlagenzufluß beschickt (Faktor ca. 1/300). Jedoch

ließen sich die minimalen Nachtzuflüsse (entsprechend nur ca. 0,2 m³/h) nicht realisie-

ren und die Anlagen wurden zeitweise konstant beschickt.

Bei der Versuchsanlage WABAG lagen die Zuflußvolumenströme zwischen 0,6 und

3,3 m³/h, die entsprechenden Flüsse zwischen 8 und 43 l/(m2h). Die Trans-

membrandrücke stiegen bis auf ca. 0,4 bar an. Allerdings konnten mit zunehmender

Versuchsdauer die maximalen Flüsse nur kurzfristig aufrecht erhalten werden. In der

folgenden Abbildung ist die Ganglinie des Flusses und des Drucks aufgetragen.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

p TM [b

ar]

Fluß

Transmembrandruck

W ABAG

Abb. 6.63 Fluß und Druck (WABAG, VA4)

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Ab Versuchstag 45 kam es bei der Anlage WABAG (Abb. 6.63) immer wieder zur Ab-

schaltung der Zulaufpumpe aufgrund zu hohem Füllstand. Durch den neuen, sauer-

stoffgeregelten Intervallbetrieb der Belüftung und der Permeatpumpe konnte insbeson-

dere bei hohen Zulaufvolumenströmen und niedrigen Zulaufkonzentrationen (typisch für

Mischwasserzufluß) in den Belüftungsphasen das zwischengespeicherte Wasservolu-

men nicht mehr abgeführt werden. Auf diese Tatsache wird im Zusammenhang mit der

Permeabilität gesondert eingegangen.

Die maximalen Zulaufvolumenströme lagen bei der Anlage ZENON (Abb. 6.64) zu Be-

ginn noch bei 2,5 m3/h und gegen Ende nur noch bei 1,5 m3/h. Entsprechend reduzierte

sich der maximale Fluß von 31 auf 19 l/(m2h). Bei der Betrachtung des Flusses muß

unterschieden werden zwischen der Phase mit duchsatzabhängigem Modulbetrieb (bis

VT 25) und Dauerbetrieb beider Module (ab VT 25). Die transmembrane Druckdifferenz

bei maximalem Fluß lag während der gesamten Versuchszeit beim anlagenspezifi-

schen Maximum von 0,5 bar.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

p TM [b

ar]

Fluß

Transmembrandruck

ZENON

Abb. 6.64 Fluß und Druck (ZENON, VA4)

In der Abb. 6.65 ist der Fluß der Versuchsanlage BERGHOF eingetragen. Der Trans-

membrandruck lag vorgegeben durch die geometrischen Bedingungen bei konstant 0,4

bar. Bei der Auswertung muß berücksichtigt werden, daß maximal 4 Modulblöcke zu-

geschalten werden können. Um eine Aussage über die Betriebszeit einzelner Module

zu erhalten, wurden am VT 10 Signalleitungen auf das Meßwerterfassungssystem ge-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 114 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

legt. Jedoch ist aufgrund der Mittelwertbildung der Meßwerterfassung eine exakte Zu-

ordnung der Modullaufzeiten nicht möglich. Die Flüsse variierten daher stark.

0102030405060708090

100110120

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

Flu

ß [l

/(m

²h)]

Fluß

BERGHOF

Abb. 6.65 Fluß (BERGHOF, VA4)

Im Mittel können aber bei der Anlage BERGHOF keine höheren Flüsse als 50 l/(m²⋅h)

erzielt werden. Der maximale Anlagendurchsatz war daher bei einer Membranfläche

zwischen 45 und 50 m² (je nach eingebautem Modultyp) auf 2 bis 2,5 m³/h begrenzt.

Der wesentliche hydraulische Parameter, die Permeabilität, ist in der folgenden Abbil-

dung für die Anlagen WABAG und ZENON dargestellt. Bedingt durch den Totalausfall

der Anlage WABAG gegen Ende von VA3 konnten einige defekte Meßgeräte nicht

schnell genug ausgewechselt werden und somit fehlt die Darstellung der Permeabilität

bei der Anlage WABAG bis zum 11. Versuchstag. Ausgehend von einer Permeabilität

von 180 l/(m²⋅h⋅bar) gegen Ende von VA3 und 180 l/(m²⋅h⋅bar) am Versuchstag 12 im

VA4 kann eigentlich nur geschlossen werden, daß der Verlauf dazwischen konstant

war und sich somit die Eisendosierung bisher nicht negativ auswirkte.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 115 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/(m

² h

bar)

] WABAG

ZENON

Intervallbelüftung

Abb. 6.66 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA4)

Bei der Anlage ZENON verringerte sich die Permeabilität kontinuierlich von ca. 70 auf

unter 40 l/(m2⋅h⋅bar) gegen Ende des Versuchsabschnittes VA4. Ein besonderer Einfluß

der Eisendosierung (ab VT 5) auf die Permeabilität ist nicht zu erkennen.

Mit Inbetriebnahme der Intervallbelüftung bei der Anlage WABAG ab Versuchstag 15

verringerte sich die Permeabilität von ca. 180 auf 165 l/(m2⋅h⋅bar). Im weiteren Ver-

suchsverlauf verringerte sich die Permeabilität parallel mit den Regenereignissen auf

ca. 90 l/(m2⋅h⋅bar). Eine drastische Verringerung der Permeabilität um 50 l/(m²⋅h⋅bar)

hatte dabei das Regenereignis am VT 28 zur Folge.

Diese Verringerung der Membranleistung hat seine Ursache in der Kombinationswir-

kung von Regenereignissen mit Temperaturabsenkung und Zulaufverdünnung sowie

der sauerstoffgeregelten Belüftung der Membranen. Nach einem Regenereignis (ver-

dünnter Zulauf) wurde der obere Grenzwert für die Abschaltung der Belüftung von

3 mg/l schnell erreicht. In der verbleibenden Filtrationszeit mußte das im Reaktor zwi-

schengespeicherte Wasservolumen mit höherem Fluß aber bei gleicher Belüftungsin-

tensität abgezogen werden. Dies führte zur Erniedrigung der Permeabilität. Bei Verzicht

auf den intervallweisen Membranbetrieb ist eine geringere Abnahme der Permeabilität

zu erwarten.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 116 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

In der folgenden Abbildung (Abb. 6.67) ist der Quotient aus Zuluftvolumenstrom zum

Fluß (bezogen auf den Ablaufvolumenstrom) dargestellt. Die Auswirkung der Absen-

kung von durchschnittlich 4 auf 2 am VT 7 kann nicht angegeben werden. Mit Installati-

on der intervallweisen Belüftung am Versuchstag 15 erniedrigte sich das Verhältnis er-

neut auf 2,5 und stieg im Anschluß nur langsam an. Am VT 28, bei einsetzendem Re-

genereignis und damit auch hohem Zulaufvolumenstrom reduzierte sich das Verhältnis

auf unter 2 Nm³⋅m²/l. Diese zu geringe spezifische Luftzufuhr kann die drastische Er-

niedrigung der Membranleistung erklären. Zur Bewältigung hoher Flüsse sind folglich

auch hohe Luftvolumenströme notwendig um die Membranen nicht dauerhaft in ihrer

Durchlässigkeit zu schädigen. Eine spezifische Luftzufuhr von 3 bis 4 Nm³⋅m²/l sollte

nach diesen Erfahrungen für einen kontinuierlichen Betrieb keinesfalls unterschritten

werden. Dementsprechend hätten für die maximalen Flüsse von 40 l/(m²⋅h) entspre-

chend 120 bis 160 Nm³/h zugeführt werden müssen. Die maximale Luftzufuhr war bei

der Anlage aber auf ca. 80 Nm³/h begrenzt. Und schon die 80 Nm³/h führten zu hohen

Sauerstoffkonzentrationen und zu einer Verringerung der Denitrifikationsleistung.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

Zul

uft/F

luß

[Nm

³ m

²/l]

Abb. 6.67 Verhältnis von Zuluftvolumenstrom zu Fluß (WABAG, VA4)

Der Einfluß der Eisendosierung kann bei der Anlage WABAG aufgrund der defekten

Druckmessung nicht sicher angegeben werden, jedoch kann aus den Ergebnissen bei

der Anlage ZENON geschlossen werden, daß auch für WABAG kein Einfluß bestand.

In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,

normiert auf 10°C, angegeben. Bei der Anlage WABAG muß in Abhängigkeit des Ver-

suchslaufs unterschieden werden. Mit zunehmender Versuchsdauer reduzierte sich der

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 117 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

maximale Fluß von 35 auf 25 l/(m²⋅h). Die entsprechenden transmembranen Druckdiffe-

renzen betrugen 0,32, 0,38 und 0,3 bar.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

WABAG

VT 1 bis 28

VT 28 bis 48

VT 48 bis 63

Abb. 6.68 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA4)

Bei der Anlage ZENON konnten zu Versuchsbeginn (obere Linie) noch maximale Flüs-

se von knapp 30 l/(m2⋅h) bei einem Transmembrandruck von 0,5 bar erzielt werden.

Gegen Versuchsende (untere Linie) reduzierte sich der maximale Fluß auf 18 l/(m2⋅h)

bei gleichem Transmembrandruck von 0,5 bar.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

ZENON

Abb. 6.69 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA4)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 118 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.6.5 Chemisch-physikalische Parameter

In den folgenden Abbildungen sind die chemisch-physikalischen Parameter in den Ver-

suchsanlagen dargestellt. In allen Versuchsanlagen reduzierte sich die Temperatur von

anfänglich ca. 18 °C auf minimale Werte von knapp unter 10 °C gegen Versuchsende.

In der Versuchsanlage WABAG variierte die Sauerstoffkonzentration wie schon in den

Versuchsabschnitten zuvor zwischen 1 und 7 mg/l. Insbesondere ab VT 28 konnten

aufgrund des verdünnten Zulaufs mit der zugeführten Luftmenge schnell hohe Sauer-

stoffkonzentrationen erreicht werden (Abb. 6.70).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

WABAG

Abb. 6.70 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA4)

Bei der Versuchsanlage ZENON (Abb. 6.71) konnte bis zum Versuchstag 36 die Sau-

erstoffkonzentration größtenteils auf den Sollwert von ca. 1 mg/l geregelt werden. Ab

VT 36 wurde allein mit der Belüftung der Membranen die Sauerstoffversorgung der Bio-

logie sichergestellt und bei extrem niedriger Belastung maximale Konzentrationen von

bis zu 6 mg/l gemessen. Diese hohen Sauerstoffkonzentrationen führten wie bei der

Anlage WABAG selbstverständlich zu einer Erniedrigung der Denitrifikationsleistung.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 119 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

ZENON

Abb. 6.71 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA4)

Bei der Versuchsanlage BERGHOF (Abb. 6.72) variierte die Sauerstoffkonzentration

zwischen 0 und 6 mg/l. Die Regelung der Belüftung für die Nitrifikation und Denitrifikati-

on konnte bei den variablen Zulaufvolumenströmen nicht optimiert werden.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

BERGHOF

Abb. 6.72 Chem.-physikalische Parameter (BERGHOF, VA4)

In den folgenden Abbildungen sind die Ganglinien des Feststoffgehaltes und die Analy-

senwerte für den Glühverlust aufgetragen.

Der Feststoffgehalt lag in der Anlage WABAG meistens zwischen 12 und 14 g/l. Über

die Weihnachtsfeiertage (ab VT 47) wurde kein Überschußschlamm mehr abgezogen

und der Feststoffgehalt erhöhte sich auf 18 g/l. Bei der Versuchsanlage ZENON (Abb.

6.74) fiel gegen Mitte des Versuchsabschnittes die Online-Messung des Feststoffgehal-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 120 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

tes aus und wurde durch regelmäßige Labormessungen ersetzt. Die Festoffkonzentra-

tion wurde von anfänglich 12 auf 18 g/l gesteigert. Bei der Anlage BERGHOF (Abb.

6.75) wurde der Feststoffgehalt zwischen 12 und 16 g/l eingestellt.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV

WABAG

Abb. 6.73 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA4)

02468

1012141618202224262830

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV

ZENON

Abb. 6.74 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA4)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 121 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV

BERGHOF

Abb. 6.75 Feststoffgehalt und Glühverlust (BERGHOF, VA4)

Der Glühverlust wies aufgrund der Eisendosierung bei allen Versuchsanlagen eine ab-

nehmende Tendenz auf. Im Mittel erniedrigte sich der organische Anteil von 70 auf gut

60 % im Laufe des Versuchsabschnittes 4.

6.6.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 4i (3.12.97-22.12.97)

6.6.6.1 Zulaufwerte

In der Tab. 6.20 sind die ermittelten Zulaufwerte der Intensivuntersuchungsphase ent-

halten.

Tab. 6.20 Zulaufkennwerte VA4i

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

Pge

s

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 78 16 59 23 6 100 2,3 0,0 5 2 1,8 Max 446 116 263 310 50 911 8,3 41,0 73 43 13,0 Mittel 270 61 147 104 24 234 6,2 11,9 40 25 6,0 Anzahl 8 8 5 18 18 18 19,0 19,0 19 19 19,0

In der folgenden Abbildung sind die Zulaufkonzentrationen an TOC, TKN und Pges wäh-

rend des gesamten VA4 dargestellt. Die Intensivuntersuchungsphase ist mit einem Pfeil

gekennzeichnet.

Page 131: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 122 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

50

100

150

200

250

300

350

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64

Versuchstage (VA4)

TO

C u

nd T

KN

im

Zul

auf [

mg/

l]

0

2

4

6

8

10

12

14

Pge

s im

Zul

auf [

mg/

l]

TOC_zu TKN_zu Pges_zu

Abb. 6.76 Zulaufkonzentrationen im VA4

Aufgrund der Regenereignisse reduzierten sich alle Untersuchungsparameter. Bei-

spielsweise erniedrigte sich der TKN von 50 bis 70 mg/l zu Versuchsbeginn auf unter

20 mg/l gegen Versuchsende.

6.6.6.2 Ablaufkonzentrationen

a) Kohlenstoff

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Versuchstage (VA4)

DO

C im

Abl

auf [

mg/

l]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.77 CSB und DOC im Ablauf (WABAG und ZENON, VA4i)

Die DOC-Konzentrationen im Ablauf aller Versuchsanlagen lagen in der Intensivunter-

suchungsphase immer unter 8 mg/l in der Tagesmischprobe (Abb. 6.77). Hierbei zeigte

sich bei den Ablaufanalysen auch die abnehmende Tendenz in den Zulaufanalysen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 123 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Der CSB lag mit ca. 10 mg/l unter der Nachweisgrenze und ist hier nicht mehr aufge-

führt. Bei einem CSB im Zulauf von 270 mg/l und 10 mg/l im Ablauf betrug die CSB-

Elimination über 96 %. Inwieweit eine Steigerung der CSB-Elimination durch die Fäll-

mitteldosierung erzielt wurde, kann nicht angegeben werden. Unterschiede bei den

Versuchsanlagen hinsichtlich der Kohlenstoffelimination gab es nicht.

b) Stickstoff

Die Stickstoffablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen sind in den folgenden

Abbildungen dargestellt.

Bei der Versuchsanlage WABAG (Abb. 6.78) lagen die maximalen Nitratkonzentratio-

nen zwischen 20 und 25 mg/l. Die zugehörigen Ammoniumkonzentrationen lagen bei

ca. 5 mg/l.

0

5

10

15

20

25

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Versuchstage (VA4)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

WABAG

Abb. 6.78 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA4i)

Bei der Versuchsanlage ZENON war die Nitrifikation teilweise unvollständig. Der Grund

hierfür dürfte hauptsächlich in der Sauerstoffmessung liegen. Nach der Neukalibrierung

der O2-Sonde (siehe Abb. 79) konnte die vollständige Nitrifikation wieder erreicht wer-

den. Die maximalen Nitratkonzentrationen betrugen 20 bis 22 mg/l.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 124 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Versuchstage (VA4)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

Nitrat im AblaufAmmonium im Ablauf

ZENON Neukalibrierung O2-Sonde

Abb. 6.79 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (ZENON, VA4i)

0

5

10

15

20

25

30

48 50 52 54 56 58 60 62 64

Versuchstage (VA4)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

ZENON

Abb. 6.80 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (ZENON, VA4 nach Neukalibrierung der O2-Sonde)

Bei der Versuchsanlage BERGHOF (Abb. 6.81) war die Nitrifikation noch völlig unzurei-

chend. Nach Einbau eines Ammoniumsensors (ab 17.12.) zur Steuerung der N/DN

verbesserte sich die Nitrifikation. Bei ausreichender Nitrifikation lagen die maximalen

Nitratkonzentrationen zwischen 20 und 25 mg/l.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 125 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

Versuchstage (VA4)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

9:00 Uhr

Nitrat im AblaufAmmonium im Ablauf

BERGHOF

Abb. 6.81 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (BERGHOF, VA4i)

Allerdings waren die hohen Nitratkonzentrationen keine Folge der üblichen tageszeitli-

chen Schwankung sondern eine Folge von Fäkalschlammeinleitungen, wie an der Ver-

schiebung der Maxima in die Nachtstunden zu erkennen ist (Beispielsweise für die An-

lage WABAG, VT 34 bis 36).

0

5

10

15

20

25

9:00

13:0

017

:00

21:0

01:

005:

009:

0013

:00

17:0

021

:00

1:00

5:00

9:00

13:0

017

:00

21:0

01:

005:

009:

0013

:00

17:0

021

:00

1:00

5:00

9:00

Versuchstage (VA4)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

WABAG

VT 33

Abb. 6.82 NO3--N und NH4

+-N im Ablauf (WABAG, VA4i, VT 33 bis 37)

c) PO43--P -Konzentrationen

Am Versuchstag 5 wurde bei den Anlagen WABAG und ZENON mit der Fällmitteldosie-

rung begonnen. Dabei mußte aber bei der Anlage ZENON die Dosierung wegen tech-

nischer Probleme mit der Dosierpumpe kurz unterbrochen werden. Ab dem 22. Ver-

suchstag wurde bei der Anlage BERGHOF mit der Dosierung von Eisen begonnen.

Page 135: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 126 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bis zum Versuchstag 28 wurde in allen Anlage wurde Eisen (II)-sulfat (war auf der KA

vorhanden und wurde in den Dosierbehältern gelöst) dosiert. Ab Versuchstag 28 wurde

wegen der viel einfacheren Handhabung auf flüssiges Eisen (III)-chloridsulfat umge-

stellt.

Die Dosierung erfolgte in einem ersten Versuchsabschnitt konstant. Im weiteren Verlauf

wurde die Dosierung in Abhängigkeit der PO43--P Ablaufkonzentration geregelt und be-

trug ca. 200 bis 600 g Fe pro Tag, entsprechend ca. 8 bis 24 gFe/m³ bzw. 1 bis

3 gFe/gP.

In Abb. 6.83 sind die PO43--P –Ablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen aufge-

tragen. Mit Beginn der Fällmitteldosierung konnten sofort Ablaufkonzentrationen von

unter 0,3 mg/l PO43--P (= Pges, Laborkontrolle) erreicht werden. Die Einhaltung der ge-

forderten Ablaufwerte von 0,3 mg/l Pges im Tagesmittel und 1,0 mg/l Pges in der Stich-

probe ist somit problemlos möglich.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Versuchstage (VA4)

PO

43--P

[mg/

l]

WABAGZENONBERGHOF

Start Fällmitteldosierung

Abb. 6.83 PO4

3--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4-1)

Im weiteren Verlauf von VA4 war die kontinuierliche Einhaltung des Sollwertes von

0,3 mg/l nur eine Frage der funktionierenden Fällmitteldosierung. Nach einem Ausfall

der Dosierung stiegen die P-Konzentrationen im Ablauf innerhalb weniger Stunden an.

Aus der schnellen Reaktion der P-Ablaufkonzentrationen auf den Ausfall der Fällmittel-

dosierung kann auch geschlossen werden, daß Eisen nicht im Überschuß in den Anla-

gen vorhanden war. Die Angabe der Phosphorelimination erfolgt im Abschnitt 6.6.4.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 127 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64

Versuchstage (VA4)

PO

43--P

[mg/

l]

WABAGZENONBERGHOF

Ausfall Fällmitteldosierung

Abb. 6.84 PO43--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4-2)

6.6.6.3 Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination lag im Mittel bei den Anlage WABAG und ZENON bei 70 %.

Bei der Anlage BERGHOF konnten nur 60 % erzielt werden. Dabei konnten, vor allem

bis zum Versuchstag 47, von der Anlage ZENON die höchsten Werte erreicht werden.

Dies lag an der zu niedrigen Sauerstoffkonzentration mit unzureichender Nitrifikation

aber dadurch optimaler Denitrifikation.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.85 Stickstoffelimination (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)

Bei mittleren TKN-Zulaufkonzentrationen im VA4i von 40 mg/l betrugen die mittleren

Nges-Ablaufkonzentrationen für die Anlage WABAG und ZENON ca. 10 mg/l. Bei der

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 128 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Anlage BERGHOF betrug die mittlere Ablaufkonzentration ca. 13,5 mg/l an Nges mit

einer mittleren Ammoniumablaufkonzentration von 4 mg/l.

Wie schon in allen vorangegangenen Versuchsabschnitten konnte der Überwachungs-

wert von 18 mg/l Nges auch in diesem Versuchsabschnitt nicht eingehalten werden. Ne-

ben der bekannten Problematik der zu großen Vorklärung und der Bewirtschaftung des

Abwassers aus der Schlammbehandlung kam in diesem Abschnitt noch die Einleitung

von Fäkalschlämmen hinzu.

6.6.6.4 Phosphorelimination

Bei ausreichender Fällmitteldosierung ist die Einhaltung des Grenzwertes von 0,3 mg/l

auch in der 2 Stunden Mischprobe problemlos möglich. Von Interesse ist daher, wieviel

Fällmittel zur Einhaltung des Grenzwertes notwendig ist.

Auszugsweise wird hier der Abschnitt mit stationärem Betrieb der Anlagen zwischen

den Versuchstagen 36 und 47 herangezogen.

0

5

10

15

20

25

36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46Versuchstage (VA4)

Fe-

Dos

ieru

ng [g

Fe/

m³] WABAG

ZENONBERGHOF

Abb. 6.86 Eisendosierung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)

Die mittlere Eisendosierung betrug im Versuchsabschnitt 4 für alle Anlagen durch-

schnittlich 10 g Fe/m³. Mit einer mittleren Pges-Konzentration im Zulauf von 6 mg/l wur-

den 1,7 gFe/gPZulauf dosiert um im Ablauf unter 0,3 mg/l PO43--P zu kommen.

In der folgenden Abbildung ist das Molverhältnis von zudosiertem Eisen zu gefälltem

Phosphor aufgetragen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 129 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,3

0,5

0,8

1,0

1,3

1,5

1,8

2,0

36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46Versuchstage (VA4)

Mol

verh

ältn

is β

[mol

Fe/

mol

P]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.87 Molverhältnis β (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)

Das Molverhältnis β wurde aus der zudosierten Eisenfracht zur tatsächlich gefällten P-

Fracht errechnet. Die gefällte P-Fracht wurde aus der Differenz von Zu- und Ablauf-

fracht, abzüglich Assimilationsanteil (1 % vom BSB5 bzw. 1,35 % vom TOC), errechnet.

Mit mittleren β-Werten von 1,5 können PO43--P-Ablaufkonzentrationen von kleiner

0,3 mg/l sicher eingehalten werden.

6.6.6.5 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion

Aufgrund der durchgehenden Analysen der TOC-Zulaufkonzentrationen kann die

Schlammbelastung im gesamten VA4 angegeben werden. Mit zunehmender Verdün-

nung des Zulaufs verringerte sich bei konstantem TS-Gehalt die Schlammbelastung bei

allen Anlagen.

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)

TO

C-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gTO

C/(

kgT

S,d

)]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.88 TOC-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 130 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die mittleren Schlammbelastungen sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Tab. 6.21 Mittlere Schlammbelastungen im VA4 und VA4i in kgTOC/(kgTS⋅d)

WABAG ZENON BERGHOF

VA4 gesamt 0,025 0,025 0,02

VA4 intensiv (28 bis 47) 0,021 0,024 0,017

Für die Umrechnung in CSB-Belastungen kann mit einem TOC/CSB-Verhältnis von

0,35 (im gesamten VA4) gerechnet werden.

Die aus dem mittleren Zuwachs an Schlamm ermittelten Ertragskoeffizienten sind in der

folgenden Abbildung dargestellt. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß durch die Mit-

telwertbildung des Schlammzuwachses nicht die einzelnen Belastungen mit korrespon-

dierendem Schlammzuwachs angegeben werden können.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68Versuchstage (VA4)

Ert

rags

koef

fizie

nt

[kgT

S/k

gTO

Czu

]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.89 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4a)

Die über den gesamten Versuchsabschnitt gemittelten spezifischen Über-

schußschlammproduktionen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Tab. 6.22 Mittlere spez. Überschußschlammproduktion im VA4 und VA4i in kgTS/kgTOCzu

WABAG ZENON BERGHOF

VA4 gesamt 1,61 1,43 1,20

VA4 intensiv (28 bis 47) 1,58 1,38 1,15

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 131 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei vergleichbarer Schlammbelastung wie im VA3ci lag in diesem Versuchsabschnitt

mit Eisendosierung zur Phosphatfällung die Schlammproduktion wesentlich höher. Be-

trug die mittlere ÜS-Produktion im VA3ci nur ca. 0,3 bis 0,45 kgTS/kgTOCzu, so wurden

in diesem Abschnitt 1,6 kgTS/kgTOCzu gemessen.

6.6.7 Zusammenfassung VA4

Im Mittelpunkt des Versuchsabschnittes 4 stand die Phosphorelimination der Ver-

suchsanlagen bei kläranlagenproportionaler Beschickung.

Die Phosphorelimination verlief bei allen Versuchsanlagen sehr zufriedenstellend. Mit

mittleren spezifischen Fällmitteldosierungen von ca. 10 gFe/m³ bzw. 1,7 gFe/gPges kön-

nen Ablaufkonzentrationen von kleiner 0,3 mg/l sicher eingehalten. Durch den feststoff-

freien Ablauf liegen keine partikulären P-Verbindungen im Ablauf vor und bei Einhal-

tung einer PO43--Konzentration von 0,3 mg/l in der flüssigen Phase kann auch die Pges-

Konzentration von 0,3 mg/l eingehalten werden.

Die Stickstoffelimination war wie schon in den vorangegangenen Versuchsabschnitten

nicht ausreichend. Der Überwachungswert von 18 mg/l konnte in der 2 Stunden Misch-

probe nicht sicher eingehalten werden. Neben der Rückbelastung aus der Schlammbe-

handlung und dem zu großen Vorklärbecken wirkte sich in diesem Versuchsabschnitt

die Fäkalschlammeinleitung zusätzlich negativ auf die Stickstoffbilanz aus. Dieser Ge-

sichtspunkt ist bei der Ausbauplanung der Kläranlage zusätzlich zu beachten.

Aufgrund der verdünnten Zulaufverhältnisse in diesem Versuchsabschnitt stellte sich

heraus, daß die geringe Stickstoffelimination nicht nur an der vorgegebenen Abwasser-

situation auf der Kläranlage Immenstaad liegt, sonder daß auch die Membrananlagen

verfahrenstechnisch nicht für eine optimale Stickstoffelimination bzw. Denitrifikation ge-

eignet sind. Dies liegt sowohl bei der Anlage ZENON, aber insbesondere bei der Anla-

ge WABAG an der notwendigen Belüftung der Membranen. Wie sich zeigte, muß zur

Aufrechterhaltung einer konstanten Membranleistung eine Mindestmenge an Luft zur

Turbulenzerzeugung (Membranüberströmung) zugeführt werden. Dieser Luftvolumen-

strom führt bei verdünnten Zuläufen, bei denen noch ca. 25 mg/l TKN im Zulauf ge-

messen werden können, zur Sauerstoffsättigung in der Nitrifikation und zum Ausfall der

Denitrifikation. Wie sich weiter zeigte, kann aufgrund des Zusammenhangs zwischen

Membranbelüftung und Permeabilität die Luftzufuhr bei hohen Flüssen keinesfalls ge-

drosselt werden. Von daher müssen bei Einsatz der Membrantechnologie zusätzliche

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 132 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Maßnahmen zur Stickstoffelimination ergriffen werden, die bei einem konventionellen

Ausbau nicht erforderlich wären.

Bei der Anlage BERGHOF war die Nitrifikation und auch die Stickstoffelimination auf-

grund regelungstechnischer Probleme nicht ausreichend. Bei variablen Zulaufvolumen-

strömen mit stark wechselnden Konzentrationen, wie sie im VA4 häufig vorlagen, er-

wies sich die Verfahrensweise der intermittierenden Denitrifikation als ungeeignet.

Die Membranleistung war im VA4 bei allen Versuchsanlagen nicht zufriedenstellend.

Bei der Anlage BERGHOF konnten mit mittleren Flüssen von 50 l/(m²⋅h) die maximalen

Zulaufvolumenströme nicht bewältigt werden. Außerdem kam es aufgrund eines hohen

Gehaltes an Faserstoffen im Zulauf immer wieder zu Verstopfungen des Modulzulauf-

bereichs und mußte manuell gereinigt werden. Für die Versuchsanlage ZENON verrin-

gerte sich im Versuchsabschnitt 4 die Durchlässigkeit (Permeabilität) der Membran kon-

tinuierlich von 70 auf unter 40 l/(m²⋅h⋅bar). Auch bei der Anlage WABAG reduzierte sich

die Permeabilität erheblich. Konnte zu Versuchsbeginn von VA4 noch 180 l/(m²⋅h⋅bar)

gemessen werden, so war es gegen Ende des Versuchsabschnittes nur noch 90

l/(m²⋅h⋅bar). Die maximale hydraulische Leistung der Membransysteme ist in der fol-

genden Tabelle angegeben. Aufgrund der ständigen Verstopfungen wird die Anlage

BERGHOF nicht berücksichtigt.

Tab. 6.23 Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit im VA4

WABAG ZENON

max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm [l/(m2h)] 25 18

Transmembrandruck bei Qm [bar] 0,3 0,5

Bei der Anlage WABAG wirkte sich zudem die intervallweise Belüftung der Membranen

mit dem Ziel der Energieeinsparung äußerst negativ auf die Permeabilität aus. Wie in

der Analyse der Daten gezeigt werden konnte, kam es aufgrund zu geringer Belüftung

zu der beobachteten Verringerung der Membranleistung.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 133 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.7 Versuchsabschnitt 5 (7.1.98 - 6.4.98)

6.7.1 Zielsetzung

Im Mittelpunkt des fünften Versuchsabschnittes stand die Überschußschlammprodukti-

on bei hohem Schlammalter bei den Anlagen WABAG und ZENON. Zusätzlich konnte

die Auswirkung einer Membranreinigung bei diesen Systemen noch untersucht werden.

Bei der Anlage BERGHOF sollte die hydraulische Flexibilität entsprechend dem Ver-

suchsabschnitt VA2 untersucht werden. Dies scheiterte aber an den Membranen, die

kaum eine flexible Beschickung zuließen.

6.7.2 Protokoll und Kennwerte VA5

Der VA5 begann am 7.1.98 und endete am 6.4.98. Die Intensivuntersuchungsphase

dauerte vom 20.2. bis zum 31.3.98. Die wesentlichen Ereignisse werden kurz protokol-

liert:

Datum VT Beschreibung

09.01.98 12:00 2,1 Z: chemische Reinigung der Membranen

20.01.98 09:00 13,0 Sauerstoffeintragsversuche WABAG, ZENON und BERGHOF

20.01.98 16:00 13,3 W: Erhöhung max. Luft von 50 auf 60 Nm³/h

10.02.98 09:00 34,0 Sauerstoffeintragsversuche WABAG, ZENON und BERGHOF

10.02.98 16:00 34,3 W: chemische Reinigung der Membranen

In den folgenden Tabellen sind die wichtigsten Kennwerte dieser Untersuchungsphase

zusammengestellt.

Tab. 6.24 Zusammenstellung Kennwerte im VA5

VA5a WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 1-89 1-89 1-89

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,99 0,91 0,87

Feststoffgehalt g/l 19 20 14

Temperatur °C 11 12 12

Abwassermenge m³ 2.115 1.945 1.860

Gesamtertrag kg TS 220 205 155

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,104 0,105 0,083

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 134 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Tab. 6.25 Zusammenstellung Kennwerte im VA5i

VA5ai WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 45-83 45-83 45-83

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,98 0,91 0,85

Feststoffgehalt g/l 19 20 14

Temperatur °C 11 12 12

Abwassermenge m³ 920 850 795

Gesamtertrag kg TS 100 86 70

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,109 0,101 0,088

6.7.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse

Auch wenn in Versuchsabschnitt 5 die Beschickung hauptsächlich konstant erfolgte,

wird der Kläranlagenzufluß zur Veranschaulichung von Regenereignissen bzw. von

Mischwasserzuflüssen dargestellt (Abb. 6.90).

0100200300400500600700800900

1000110012001300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Klä

ranl

agen

zuflu

ß [m

³/h]

Abb. 6.90 Kläranlagenzufluß im gesamten VA5

6.7.4 Hydraulik

Die Beschickung der Versuchsanlagen erfolgte nicht mehr kläranlagenproportional

sonder weitgehend konstant. Die mittleren Flüsse (Tagesmittel) der einzelnen Anlagen,

die zur Einschätzung der Membranleistung von Bedeutung sind, werden in der folgen-

den Abbildung dargestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 135 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

Flu

ß im

Tag

esm

ittel

[l/(

m²h

)]WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.91 Flüsse im Tagesmittel (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)

Die Anlagen WABAG und ZENON wurden weitestgehend identisch bei einem Fluß von

ca. 12 l/(m2⋅h) betrieben. Bei der Anlage BERGHOF, wo systembedingt nur ein Teil der

Membranfläche zum Einsatz kommt, variierte der Fluß bei einem mittleren Zulaufvolu-

menstrom von 0,87 m³/h zwischen 20 und 50 l/(m2⋅h).

Von besonderer Bedeutung sind die Auswirkungen der zu Versuchsbeginn durchge-

führten Membranreinigungen bei WABAG und ZENON auf die Permeabilität. Diese

werden detailliert für die einzelnen Anlagen aufgezeigt. Hierbei wird bei der Anlage

WABAG wieder ausführlich auch der Einfluß der Belüftungsintensität (Zuluftvolu-

menstrom/Fluß) mit ausgewertet.

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

Per

mea

bilit

ät10

°C

[l/(m

²hba

r)]

0

5

10

15

20

25

30

QLu

ft/F

luß

[Nm

³m²/

l]

Permeabilität

QLuft/Fluß

MembranreinigungWABAG

Sauerstoffeintragsversuche

Abb. 6.92 Permeabilität und QLuft/Fluß (WABAG, VA5)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 136 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

In Abb. 6.92 sind Permeabilität und Belüftungsintensität (QLuft/Fluß) der Versuchsanlage

WABAG dargestellt. Am Versuchstag 13 wurde die Anlage aufgrund der Sauerstoffein-

tragsversuche ohne Zulauf konstant belüftet und anschließend der maximale Luftvolu-

menstrom von ca. 50 auf 60 Nm³/h erhöht. Entsprechend erhöhte sich das mittlere Ver-

hältnis von Luft/Fluß von 2,8 auf 4 Nm³⋅m²/l. Insbesondere die ausgedehnte Ruhepause

bei den Sauerstoffeintragsversuchen erbrachte schon eine Erhöhung der Permeabilität

von 100 auf 130 l/(m2⋅h⋅bar). Am Versuchstag 35 erfolgte die chemische Reinigung der

Membranen bei der Anlage WABAG. Hierbei wurde - bei eingebautem Membranmodul

- Reinigungslösung (verdünnte Natriumhypochloritlösung, ca. 5%) über die Permeat-

abzugsleitung rückwärts in das Membranmodul eingefüllt. Die Permeabilität erhöhte

sich von 130 auf 225 l/(m2⋅h⋅bar). Im Laufe des weiteren Versuchsablaufs von VA5 re-

duzierte sich die Permeabilität bei der Anlage WABAG geringfügig auf 215 l/(m2⋅h⋅bar).

Bei der Anlage ZENON (Abb. 6.93) wurden am Versuchstag 2 die Membranen che-

misch gereinigt (Reinigungslösung: Natriumhypochloritlösung). Der Reinigungsvorgang

erbrachte eine Erhöhung der Permeabilität von knapp 50 auf über 400 l/(m2⋅h⋅bar). Im

weiteren Verlauf des VA4 verringerte sich die Permeabilität kontinuierlich auf 100

l/(m2⋅h⋅bar). Die vereinzelt hohen Werte wurden nach einer manuellen Rückspülung mit

Wasser, um Luft aus dem Leitungssystem zu entfernen, erzielt.

050

100150200250300350400450500550600

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/(m

²hba

r)]

Membran- reinigung

ZENON

Abb. 6.93 Permeabilität (ZENON, VA5)

Bei der Anlage BERGHOF variierte die Permeabilität bezogen auf 10 °C in Abhängig-

keit der eingesetzten Membranmodule (Typ 61100 oder 37100) zwischen 50 und

150 l/(m2⋅h⋅bar). Im Mittel wurde eine Permeabilität von 100 l/(m2⋅h⋅bar) erreicht.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 137 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/(m

²hba

r)]

BERGHOF

Abb. 6.94 Permeabilität (BERGHOF, VA5)

In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,

normiert auf 10°C, angegeben. Hierbei ist bei diesem Versuchsabschnitt zu berücksich-

tigen, daß die maximalen Flüsse nicht eingestellt worden sind. Die Anlagen konnten

hydraulisch nicht höher belastet werden, um die Biologie in einem stationären Betriebs-

zustand zu halten.

Bei der Anlage WABAG konnten vor der Membranreinigung Flüsse (keine maximalen

Flüsse) von 25 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken von 0,28 bar erzielt werden. Nach

der Membranreinigung konnten die gleichen Flüsse bei Transmembrandrücken von

0,13 bar erzielt werden. Nach ca. 60 Tagen erhöhte sich der Transmembrandruck für

einen Fluß von 25 l/(m2⋅h) wieder auf 0,23 bar.

0

5

10

15

20

25

30

35

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

WABAG

vor Reinigung

nach Reinigung Ende VA5

Abb. 6.95 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA5)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 138 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei der Anlage ZENON (Abb. 6.96) konnten vor der Membranreinigung Flüsse von 18

l/(m2⋅h) bei einem Transmembrandruck von 0,5 bar erzielt werden. Unmittelbar nach

der Reinigung wurden Flüsse von 25 l/(m2⋅h) bei Drücken von 0,07 bar und gegen Ende

von VA5 bei Drücken von 0,22 bar erzielt. Die jeweiligen Linien sind in der Abb. 6.96

dargestellt.

0

5

10

15

20

25

30

35

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

ZENON

vor Reinigung

nach Reinigung

Ende VA5

Abb. 6.96 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA5)

6.7.5 Chemisch-physikalische Parameter

In den folgenden Abbildungen sind die wesentlichen Parameter zur Beschreibung der

Betriebszustände der jeweiligen Anlage aufgeführt.

Bis zum Versuchstag 75 variierte die Temperatur in den Versuchsanlagen zwischen 10

und 12 °C bei der Anlage WABAG. Die Regenereignisse am 10., 53. und 54. Ver-

suchstag führten jeweils zu einer Temperaturerniedrigung um 2 °C. Ab Versuchstag 15

stieg die Temperatur witterungsbedingt auf 15 °C an. Die Sauerstoffkonzentration

schwankte bei der Anlage WABAG zu Versuchsbeginn zwischen 2 und 5 mg/l. Höhere

Werte konnten nicht registriert werden, weil der obere Grenzwert des Sauerstoffmeßge-

rätes im Zusammenhang mit der intermittierenden Belüftung auf 5 mg/l herabgesetzt

wurde. Ab Versuchstag 15 fiel mit zunehmendem Feststoffgehalt (siehe Abb. 6.98) und

geringerem Mischwasserzulauf der Sauerstoffgehalt in der Nitrifikationszone. Dies hat

seine Ursache im niedrigen Sauerstoffeintrag bei hohen Feststoffgehalten und den hö-

heren Zulaufkonzentrationen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 139 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

WABAG

Abb. 6.97 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA5)

Der Feststoffgehalt erhöhte sich bei der Anlage WABAG von 12,5 zu Versuchsbeginn

auf knapp 25 g/l am Versuchstag 37. Aufgrund reduzierter Betreuung wurde in der An-

fangszeit kein Überschußschlamm abgezogen und die gebildete Biomasse im System

zwischengespeichert. Ab Versuchstag 38 wurde der Schlammabzug wieder regelmäßig

durchgeführt und der Feststoffgehalt reduzierte sich kontinuierlich.

0,0

2,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5

25,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV

WABAG

Abb. 6.98 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA5)

Wie bereits erwähnt, wird bei der Anlage ZENON die Temperatur in der Rezirkulations-

leitung im Container gemessen. Die kurzzeitig erhöhten Temperaturmeßwerte zeigen

bei einer Betriebsunterbrechung nicht die Abwassertemperatur sondern die Umge-

bungstemperatur im Versuchscontainer. Der Temperaturverlauf war bei der Anlage

ZENON ansonsten ähnlich wie bei der Anlage WABAG. Es wurde eine Minimaltempe-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 140 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

ratur von ca. 9 °C erreicht. Wie schon im VA4 wurde bei Mischwasserzuflüssen (VT 10

bis 15 und ab VT 60) im Nitrifikationsbecken Sauerstoffkonzentrationen bis zu 4 mg/l

gemessen. Die Sauerstoffzufuhr durch die Membranbelüftung überstieg den Sauer-

stoffverbrauch und somit stellten sich hohe Sauerstoffkonzentrationen ein. Dies hatte,

wie schon beschrieben, einen negativen Einfluß auf die Denitrifikationsleistung.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-WertSauerstoff

ZENON

Abb. 6.99 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA5)

Die Temperatur in der Anlage BERGHOF variierte zwischen 9 und 16 °C. Die höheren

Temperaturen resultierten aus einem Anlagenstillstand mit Aufheizung des Reaktorin-

haltes. Die Sauerstoffkonzentration pendelte ungleichmäßig zwischen 0 und 6 mg/l. Es

gelang im Versuchsabschnitt 5 nicht, die Sauerstoffkonzentration auf das notwendige

Maß für eine ausreichende Nitrifikation zu reduzieren um gleichzeitig den sich an-

schließenden Denitrifikationsprozeß nicht zu stören.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

BERGHOF

Abb. 6.100 Chem.-physikalische Parameter (BERGHOF, VA5)

Page 150: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 141 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Aufgrund einer defekten Feststoffsonde können bei der Anlage ZENON nur Mittelwerte

des Feststoffgehaltes aus Laboranalysen angegeben werden. Der Feststoffgehalt ent-

wickelte sich vergleichbar mit dem der Anlage WABAG und erreichte am Versuchstag

40 mit ca. 25 g/l ein Maximum. Der Glühverlust erhöhte sich mit zunehmender Ver-

suchsdauer von 64 auf 70 % und blieb dann konstant.

0

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS (Mittelwerte)

GV

ZENON

Abb. 6.101 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA5)

Bei der Anlage BERGHOF wurde der Feststoffgehalt bis zum Versuchstag 45 bei ca.

15 g/l konstant gehalten und anschließend auf 11 g/l reduziert. Der Glühverlust erhöhte

sich von 60 auf 70 %.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV

BERGHOF

Abb. 6.102 Feststoffgehalt und Glühverlust (BERGHOF, VA5)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 142 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.7.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 5i (20.2.98-31.3.98)

6.7.6.1 Zulaufwerte

In Tab. 6.26 sind die mittleren Zulaufwerte zusammengefaßt. Aufgrund von Problemen

mit dem TOC-Meßgerät konnten in diesem Abschnitt nur wenige TOC-Analysen durch-

geführt werden (nicht dargestellt). In der Mitte dieser Intensivuntersuchungsphase ver-

dünnten ausgiebige Regenereignisse die Zulaufkonzentrationen (siehe Abb. 6.90 und

Abb. 6.103).

Tab. 6.26 Zulaufkennwerte VA5i (Tag 28 - 83)

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

Pge

s

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 60 21 33 42 2,7 0 9 9,0 1,3 Max 685 64 278 686 8,1 13 84 31,2 9,6 Mittel 229 37 114 173 5,3 7 33 15,7 4,5 Anzahl 27 9 9 27 9 9 31 9 9

In der folgenden Abbildung sind die Zulaufkonzentrationen an CSB, TKN und Pges wäh-

rend der Intensivuntersuchungsphase dargestellt.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84

Versuchstage (VA5)

CS

B u

nd T

KN

im

Zul

auf [

mg/

l]

0

2

4

6

8

10

12

Pge

s im

Zul

auf [

mg/

l]

CSB_zu TKN_zu Pges_zu

Abb. 6.103 Zulaufwerte im VA5i

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 143 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.7.6.2 Ablaufkonzentrationen

a) Kohlenstoff

Wie schon im VA4 wurde der CSB im Ablauf der Versuchsanlagen nicht mehr be-

stimmt. Die aus den Tagesmischproben ermittelten DOC-Ablaufkonzentrationen sind in

der folgenden Abbildung dargestellt. Bei CSB-Zulaufwerten von 300 mg/l betrugen die

DOC-Ablaufkonzentrationen ca. 6 mg/l. Im weiteren Verlauf reduzierten sich die Ablauf-

konzentrationen parallel mit den CSB-Zulaufwerten auf nur noch 3 mg/l und erhöhten

sich gegen Ende der Intensivuntersuchungsphase wieder auf knapp 7 mg/l. Unter-

schiede bei den Versuchsanlagen hinsichtlich der Kohlenstoffelimination gab es nicht.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84

Versuchstage (VA5)

DO

C im

Abl

auf [

mg/

l] WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.104 DOC im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF VA5i)

b) Stickstoff

Die Stickstoffablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen sind in den folgenden

Abbildungen für den Versuchsabschnitt VA5i dargestellt. Die Nitratablaufkonzentratio-

nen konnten aufgrund eines defekten Meßgerätes erst ab Versuchstag 48 gemessen

werden.

Wie aus dem Verlauf der Sauerstoffkonzentration auch nicht anders zu erwarten war,

konnte bei den Versuchsanlagen WABAG und ZENON vollständig nitrifiziert werden.

Ammonium war im Ablauf kaum nachweisbar. Die Nitratkonzentrationen erreichten bei

beiden Anlagen Maximalwerte von bis zu 35 mg/l. Bei gleichzeitig hohen Sauerstoff-

konzentrationen in den Nitrifikationszonen (WABAG: über 4 mg/l und ZENON: über

3 mg/l) kann gefolgert werden, daß für eine optimale Denitrifikation die Luftzufuhr zu

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 144 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

hoch war. Die hohe Luftzufuhr ist aber für die Membranbelüftung notwendig und konnte

nicht weiter gedrosselt werden, da sonst die Membranleistung verringert wird.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

WABAG

Abb. 6.105 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA5i)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

ZENON

Abb. 6.106 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (ZENON, VA5i)

Bei der Anlage BERGHOF erfolgte die Regelung der Nitrifikation und Denitrifikation in

diesem Versuchsabschnitt mittels eines Ammoniumsensors im Ablauf der Anlage. Ü-

berschritt die Ammoniumkonzentration im Ablauf den eingestellten Grenzwert (3 bis 4

mg/l) wurde die Anlage auf Nitrifikationsbetrieb umgestellt. Dies geschah, indem die

Loops 1 und 3, die mit Prallplatten versehen waren, in Betrieb genommen wurden. Bei

Erreichen des unteren Grenzwertes ( 1 mg/l NH4+-N) wurde auf Denitrifikationsbetrieb

umgestellt. Es wurden dann die Loops betrieben, die mit einem Umlenkbogen zur Ein-

bringung des Konzentratstromes unter die Wasseroberfläche versehen waren. Hier-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 145 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

durch gelang es in der Regel, den eingestellten Grenzwert von 5 mg/l NH4+-N im Ablauf

nicht zu überschreiten. Allerdings konnte aufgrund zu niedriger Membranleistung der

Denitrifikationsmodule der Zulaufvolumenstrom nur durch den Betrieb dieser beiden

Module nicht bewältigt werden. So mußten auch in der Denitrifikationsphase die eigent-

lich für den Nitrifikationsbetrieb vorgesehenen Module in Betrieb genommen werden

und die Denitrifikation wurde durch den Sauerstoffeintrag gestört. Folglich wurden bei

der Anlage BERGHOF gleich hohe Nitratkonzentrationen wie bei den anderen Anlagen

gemessen, wobei zusätzlich noch 5 mg/l NH4+-N im Ablauf vorhanden waren. Die in-

termittierende Stickstoffelimination funktionierte nicht zufriedenstellend.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

BERGHOF

Abb. 6.107 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (BERGHOF, VA5i)

c) PO43--P -Konzentrationen

in der folgenden Abbildung sind zur Verdeutlichung der Zulaufsituation die PO43--P –

Ablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen aufgetragen. Nach dem Ende der

Fällmitteldosierung am 7.1.98 erhöhten sich die PO43--P Konzentrationen im Ablauf

wieder auf Werte von 3 mg/l. Die niedrigen Werte im Ablauf der Anlage ZENON am 35.

Versuchstag waren eine Folge der Sauerstoffeintragsversuche mit intensiver Durchmi-

schung des gesamten Reaktorinhaltes. Vermutlich wurden noch nicht aufgebrauchte

Fällmittelreste aktiviert.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 146 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

PO

43--P

im A

blau

f [m

g/l] WABAG

ZENONBERGHOF

Abb. 6.108 PO4

3--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)

6.7.6.3 Stickstoffelimination

Die mittlere Stickstoffelimination im gesamten VA5i betrug für die Anlage WABAG

42 %, für die Anlage ZENON 56 % und für die Anlage BERGHOF 50 % (Abb. 6.109).

Die niedrigen Eliminationsleistungen lassen sich zum einen aus dem sehr ungünstigen

TKN/CSB-Verhältnis während der Versuchstage 64-68 erklären. Bei einem TKN von

ca. 15 mg/l betrug der CSB 105 mg/l und der BSB5 nur 41 mg/l (in der Tagesmischpro-

be).

Andererseits ist wieder zu berücksichtigen, daß aufgrund der zu hohen Luftzufuhr die

Denitrifikationsleistung beeinträchtigt wurde. Gerade bei Zulaufbedingungen, bei denen

der CSB im Zulauf dringend für die Nitratatmung zur Verfügung gestellt werden muß,

wird eine hohe Sauerstofffracht rezirkuliert und die Nitratatmung somit unterdrückt.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA4)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.109 Stickstoffelimination (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)

Page 156: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 147 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Insgesamt war auch in diesem Versuchsabschnitt die Stickstoffelimination zur Einhal-

tung des Überwachungswertes von 18 mg/l Nanorg nicht ausreichend.

6.7.6.4 Schlammbelastung, Überschußschlammproduktion und Schlammalter

Aufgrund der technischen Probleme mit dem TOC-Meßgerät wird in diesem Versuchs-

abschnitt mit CSB-Zulaufwerten gerechnet. In der folgenden Abbildung ist zur Verdeut-

lichung der Berechnung der Schlammbelastung der Verlauf der gesamten Feststoff-

masse in allen Anlagen dargestellt. Diese wird aus dem Feststoffgehalt und dem Reak-

torvolumen ermittelt.

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Ges

amtm

asse

[kg]

W ABAG

ZENON

BERGHOF

Abb. 6.110 Gesamtmasse an Feststoffe in den Versuchsanlagen (WABAG, ZE-

NON und BERGHOF, VA5)

Die CSB-Schlammbelastungen berechnen sich dann aus der täglichen CSB-

Zulauffracht dividiert durch die aktuelle Gesamtmasse an Feststoffen im System. In der

folgenden Abbildung ist der Verlauf der CSB-Schlammbelastung im VA5i dargestellt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 148 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)

CS

B-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gCS

B/(

kgT

S,d

)]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.111 CSB-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)

Wie in Abb. 6.111 zu sehen ist, reduzierten sich die Schlammbelastungen für alle Anla-

gen von ca. 0,1 am Versuchstag 44 auf 0,01 kgCSB/(kgTS⋅d) am Versuchstag 68. Die

über den gesamten Intensivuntersuchungsabschnitt gemittelten Schlammbelastungen

sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Tab. 6.27 Mittlere Schlammbelastungen im VA5i in kgCSB/(kgTS⋅d)

WABAG ZENON BERGHOF

VA5 intensiv (44-84) 0,030 0,037 0,041

Für die Berechnung der spezifischen Überschußschlammproduktion ist die Zunahme

an Feststoffen entscheidend. In Abb. 6.112 ist die Summenlinie des Feststoffzuwach-

ses aufgetragen. Die Wertepaare der Anlagen WABAG und ZENON verlaufen weitge-

hend parallel. Der Unterschied bei der Anlage BERGHOF kann nicht erklärt werden.

Wahrscheinlich wurde der Feststoffabzug durch Modulspülungen nicht exakt bilanziert.

Ab Versuchstag 42 war die tägliche Feststoffzunahme (Steigung der Ausgleichsgera-

den) aber vergleichbar mir den anderen Versuchsanlagen.

Page 158: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 149 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

020406080

100120140160180200220

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

TS

-Zuw

achs

[kg]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.112 Summenlinie des Feststoffzuwachses (WABAG, ZENON und BERG-

HOF, VA5)

Aus der mittleren täglichen Feststoffzunahme kann durch Division mit der Zulauffracht

die spezifische Überschußschlammproduktion ermittelt werden. Die Abb. 6.113 zeigt

die Ergebnisse des VA5i.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)

spez

. ÜS

-Pro

dukt

ion

[kgT

S/k

gCS

Bzu

]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.113 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5ai)

In der Tab. 6.28 werden die mittleren Werte zusammengefaßt.

Tab. 6.28 Mittlere spez. Überschußschlammproduktion im VA5i in kgTS/kgCSBzu

WABAG ZENON BERGHOF

VA5 intensiv (28 bis 47) 0,662 0,641 0,502

Page 159: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 150 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Wie schon bei den vorhergehenden Versuchsabschnitten muß bei der spez. Schlamm-

produktion berücksichtigt werden, daß die Zunahme an Feststoffen aus einem Mittel-

wert errechnet wird, die zugeführte Fracht allerdings als Tageswert angegeben wird.

Hierdurch ergeben sich für die niedrigen CSB-Belastungen vom Versuchstag 64 bis 86

scheinbar hohe Erträge.

In der folgenden Abbildung ist für den Versuchsabschnitt 5 das Schlammalter (entspre-

chend der Definition in Kapitel 2.5) dargestellt. Hierbei wird die Anfangsphase bei der

Anlage BERGHOF und die Versuchsphase ab VT 85 nicht berücksichtigt.

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Sch

lam

mal

ter

[d]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.114 Schlammalter (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)

Im Mittel kann für den betrachteten Untersuchungszeitraum ein Schlammalter von 70

Tagen angegeben werden.

6.7.7 Zusammenfassung VA5

Im Mittelpunkt des Untersuchungsabschnittes 5 stand die Überschußschlammprodukti-

on bei den Anlagen WABAG und ZENON. Ziel war es, durch eine geringe Belastung

den Schlammzuwachs zu minimieren.

Bei der Anlage BERGHOF sollten die hydraulischen Versuche des VA1 und VA2 nach-

gefahren werden. Dies war aber aufgrund der mangelhaften Flexibilität und der noch

nicht funktionsfähigen Stickstoffelimination bei variablen Zulaufvolumenströmen nicht

möglich. Daher wurde auch die Anlage BERGHOF konstant beschickt, die Stickstoff-

elimination optimiert und in die Ergebnisse zur Überschußschlammproduktion zusam-

men mit den anderen Anlagen verglichen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 151 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Bei einem Schlammalter von ca. 70 Tagen, mittleren Belastungen von 0,03 bis

0,04 kgCSB/(kgTS⋅d) betrug die spezifische Überschußschlammproduktion ca. 0,5 bis

0,6 kgTS/kgCSBzu. Dieser Wert wurde bei vorhergehenden Versuchsabschnitten eben-

falls erreicht und ist auch mit üblichen Bemessungswerten von konventionellen Anlagen

vergleichbar. Die Überschußschlammproduktion konnte in diesem Versuchsabschnitt

trotz hohen Feststoffgehalten und niedrigen Schlammbelastungen nicht spürbar redu-

ziert werden.

Die Stickstoffelimination war im Versuchsabschnitt 5 bei allen Versuchsanlagen nicht

ausreichend. Dies liegt, wie schon mehrmals erwähnt, einerseits an der ungünstigen

Zusammensetzung des Abwassers. Andererseits wurde aber auch deutlich, daß die

Versuchsanlagen WABAG und ZENON systembedingte Schwächen bei der Denitrifika-

tion aufweisen. Aufgrund der konstant hohen Luftmenge zur Turbulenzerzeugung auf

der Membranoberfläche (Reinigung) wird bei Mischwasserzufluß zuviel Sauerstoff in

das Belebungsbecken eingetragen und dadurch die Denitrifikation verringert. Eine

Drosselung der Luftzufuhr ist ohne Beeinträchtigung der Membranleistung nicht mög-

lich.

Die Regelparameter für die intermittierende Nitrifikation/Denitrifikation konnten bei der

Versuchsanlage BERGHOF auch im Versuchsabschnitt 5 nicht an die variablen Zulauf-

konzentrationen angepaßt werden. Zwar konnte der Ammoniumgrenzwert von 5 mg/l in

der Regel eingehalten werden, jedoch war die Denitrifikationsleistung ungenügend.

Die bei der Versuchsanlage ZENON durchgeführte Membranreinigung führte kurzfristig

zu einer Erhöhung der Permeabilität von 50 auf über 400 l/(m2⋅h⋅bar). Im weiteren Ver-

suchsverlauf verringerte sich die Permeabilität kontinuierlich auf 105 l/(m2⋅h⋅bar) inner-

halb von 80 Tagen. Diese Verringerung der Membranleistung kann in diesem Ver-

suchsabschnitt nicht durch eine hydraulische Überlastung hervorgerufen worden sein.

Die mittleren Flüsse, bezogen auf eine Temperatur von 10 °C, lagen konstant bei ca.

12 l/(m2⋅h).

Bei der Versuchsanlage WABAG wurde schon vor der chemischen Reinigung der

Membranen einer Erhöhung der Permeabilität durch eine Erhöhung der Luftzufuhr er-

reicht. Allein durch diese Maßnahme erhöhte sich die Permeabilität von 100 auf

130 l/(m2⋅h⋅bar). Dies bedeutet, daß die zum Zwecke der Energieeinsparung eingeführ-

te intermittierende Belüftung der Membranen als nicht optimal zu bewerten ist. Es kann

nur an der Belüftung gespart werden, wenn gleichzeitig häufigere Reinigungsintervalle

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 152 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

in Kauf genommen werden. Durch die chemische Reinigung erhöhte sich die

Permeabilität von 130 auf 225 l/(m2⋅h⋅bar). Im weiteren Verlauf reduzierte sich die Per-

meabilität geringfügig auf 215 l/(m2⋅h⋅bar).

Die Anlage BERGHOF wies über den gesamten Versuchsabschnitt 5 eine mittlere

Permeabilität von 100 l/(m2⋅h⋅bar) auf. Bei einem möglichen Transmembrandruck von

0,4 bar entspricht dies einem Fluß von 40 l/(m2⋅h). Dies liegt bei weitem unter dem an-

gestrebten Sollwert von 80 bis 100 l/(m2⋅h). Die hydraulische Leistung der Versuchsan-

lage BERGHOF blieb daher hinter den Erwartungen zurück. Zudem konnte aufgrund

der faserigen Stoffe im Zulauf ein konstanter Versuchsbetrieb ohne manuelle Reinigung

des Zulaufbereichs der Module nicht aufrecht erhalten werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 153 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.8 Versuchsabschnitt 6 (6.4.98 - 2.6.98)

6.8.1 Zielsetzung

Im Mittelpunkt des sechsten Versuchsabschnittes stand wie schon im VA5 die Über-

schußschlammproduktion bei hohem Schlammalter bei den Anlagen WABAG und ZE-

NON. Bei der Anlage BERGHOF ist versucht worden, die Membranleistung durch eine

Belüftung der Module zu steigern.

6.8.2 Kennwerte VA6

Der VA6 begann am 6.4.98 und endete am 2.6.98. Die Intensivuntersuchungsphase

dauerte vom 5.5.98 bis zum 25.5.98 (Versuchstage 29 bis 49). Wesentliche Störfälle

waren im VA6 nicht zu verzeichnen.

Tab. 6.29 Zusammenstellung Kennwerte im VA6

VA6a WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 1-57 1-57 1-57

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,99 0,83 0,98

Feststoffgehalt g/l 18 22 11

Temperatur °C 16 16 16

Abwassermenge m³ 1.355 1.135 1.340

Gesamtertrag kg TS 140 110 145

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,103 0,097 0,108

Tab. 6.30 Zusammenstellung Kennwerte im VA6i

VA6ai WABAG ZENON BERGHOF

Versuchszeitraum Tage 29-49 29-49 29-49

mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,01 0,80 0,96

Feststoffgehalt g/l 19 22 11

Temperatur °C 17 18 17

Abwassermenge m³ 485 384 461

Gesamtertrag kg TS 46 38 50

spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,095 0,099 0,108

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 154 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.8.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse

Wie bereits im VA5 dient die Darstellung des Kläranlagenzuflusses (Abb. 6.115) der

Verdeutlichung der Konzentrationsschwankungen im Zulauf. Die Beschickung aller

Versuchsanlagen erfolgte nicht kläranlagenproportional sondern konstant. Es waren nur

wenige, kurz andauernde Mischwasserzuflüsse vorhanden.

0100200300400500600700800900

1000110012001300

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

Klä

ranl

agen

zuflu

ß [m

³/h]

Abb. 6.115 Kläranlagenzufluß im gesamten VA6

6.8.4 Hydraulik

Die Beschickung der Versuchsanlagen erfolgte nicht mehr kläranlagenproportional

sonder weitgehend konstant. Die mittleren Flüsse der einzelnen Anlagen, die zur Beur-

teilung der Membranleistung von Bedeutung sind, werden in der folgenden Abbildung

dargestellt.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Versuchstage (VA6)

Flu

ß(W

abag

und

Zen

on)

[l/(m

²h)]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Flu

ß(B

ergh

of) [

l/(m

²h)]

WABAGZENONBERGHOF

Berghof:Module gereinigt

Abb. 6.116 Flüsse im Tagesmittel (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 155 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Die Anlagen WABAG und ZENON wurden zu Versuchsbeginn mit einem identischen

Fluß von 10 l/(m2⋅h) betrieben. Ab Versuchstag 15 wurde der Zulaufvolumenstrom zu

Anlage WABAG gesteigert und über 4 Tage ein Fluß von 15 mit anschließender Redu-

zierung auf 12 l/(m2⋅h) eingestellt. Ab Versuchstag 54 wurden die Anlagen WABAG und

ZENON höher beschickt, entsprechende Flüsse von 15 und 12,5 l/(m2⋅h) stellten sich

ein.

Die Anlage BERGHOF wurde durchgehend mit 1,0 m³/h beschickt. Dieser Zulaufvolu-

menstrom wurde systembedingt mit einer unterschiedlichen Anzahl von Modulen abge-

arbeitet. In Abhängigkeit der Leistung der verschiedenen Module stellte sich zu Beginn

von VA6 ein mittlerer Fluß von 50 l/(m2⋅h) ein. Nach einer Reinigung der Module (Nr.

28) konnten Flüsse von über 100 l/(m2⋅h) erzielt werden. Der mittlere Fluß reduzierte

sich jedoch innerhalb von 20 Tagen wieder auf Werte um die 50 l/(m2⋅h).

In Abb. 6.117 sind die Permeabilitäten für die Anlagen WABAG und ZENON im VA6

dargestellt. Bei der Anlage WABAG konnte über die Versuchsdauer vom VA6 im Mittel

eine konstante Permeabilität von 225 l/(m2⋅h⋅bar) erzielt werden. Bei der Anlage ZE-

NON variierte die Permeabilität in Abhängigkeit der manuellen Entlüftung der Permeat-

leitung mittels zusätzlicher Wasserrückspülung. Werden diese hierdurch kurzfristig er-

höhten Permeabilitäten nicht mitgerechnet, stellte sich bei der Anlage ZENON ein Wert

von ca. 100 l/(m2⋅h⋅bar) im VA6 ein.

0

50

100

150

200

250

300

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/m²h

bar]

WABAG

ZENON

Abb. 6.117 Permeabilität (WABAG und ZENON, VA6)

Page 165: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 156 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

50

100

150

200

250

300

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

Per

mea

bilit

ät10

°C [l

/m²h

bar] BERGHOF

Abb. 6.118 Permeabilität (BERGHOF, VA6)

Bei der Versuchsanlage BERGHOF (Abb. 6.118) stellte sich die Permeabilität vor der

Reinigung der Membranen auf ca. 100 bis 120 l/(m2⋅h⋅bar) ein. Nach der Reinigung er-

höhte sich die Permeabilität auf knapp 200 l/(m2⋅h⋅bar), fiel aber wieder auf 120 l/(m2⋅h)

im weiteren Verlauf von VA6 ab.

In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,

normiert auf 10°C, angegeben. Hierbei ist bei diesem Versuchsabschnitt zu berücksich-

tigen, daß die maximalen Flüsse nicht eingestellt worden sind. Es wurde aber an 3 Ver-

suchstagen die Zulaufvolumenströme erhöht, um die Flüsse kurzzeitig zu steigern. Aus

diesen einzelnen Belastungserhöhungen bei den Anlagen WABAG und ZENON kön-

nen Aussagen über die hydraulische Flexibilität getroffen werden.

0

5

10

15

20

25

30

35

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

WABAG

Abb. 6.119 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA6)

Page 166: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 157 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Durch den variablen Ablaufvolumenstrom konnte bei der Anlage WABAG ein ausge-

prägter Zusammenhang zwischen Druck und Fluß hergestellt werden. Im VA6 wurden

bei einem Transmembrandruck von 0,21 bar Flüsse von 30 l/(m2⋅h) erreicht. Der maxi-

male Fluß wurde nicht eingestellt.

Bei der Anlage ZENON wurde im VA6 ein Fluß 22 l/(m2⋅h) bei einem Trans-

membrandruck von 0,20 bar erzielt. Der mittlere Fluß von 8 l/(m2⋅h) (Bezugstemperatur

von 10 °C) wurde mit Transmembrandrücken zwischen 0,03 und 0,1 bar bewältigt.

0

5

10

15

20

25

30

35

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Transmembrandruck [bar]

Flu

ß10

°C [l

/(m

²h)]

ZENON

Abb. 6.120 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA6)

6.8.5 Chemisch-physikalische Parameter

Bei allen Versuchsanlagen erhöhte sich die Temperatur von 12 auf ca. 20 °C zu Ver-

suchsende.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 158 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

02468

10121416182022

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

WABAG

Abb. 6.121 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA6)

Die Sauerstoffkonzentration variierte bei der Anlage WABAG (Abb. 6.121) zwischen 2

und 4 mg/l bis zum Versuchstag 40. Im weiteren Verlauf nahm die Sauerstoffkonzentra-

tion durchschnittlich auf Werte um 2 mg/l, mit weiter fallender Tendenz, ab.

02468

10121416182022

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

ZENON

Abb. 6.122 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA6)

Die Sauerstoffkonzentration konnte bei der Anlage ZENON in der Regel bei ca. 1 mg/l

konstant gehalten werden. Nur während der Regenereignisse zwischen Versuchstag

22 und 30 kam es zeitweise zu leicht erhöhten Sauerstoffkonzentrationen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 159 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

02468

10121416182022

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

O2

[mg/

l] -

pH -

T [°

C]

Temperatur

pH-Wert

Sauerstoff

BERGHOF

Abb. 6.123 Chem.-physikalische Parameter (BERGHOF, VA6)

Bei der Anlage BERGHOF setzte sich die Variation der Sauerstoffkonzentration zwi-

schen 0 mg/l und der Sättigungskonzentration auch in diesem Versuchsabschnitt fort.

In den drei folgenden Abbildungen sind die Feststoffgehalte und die Glühverluste von

allen Versuchsanlagen aufgetragen. Der Glühverlust war bei allen Versuchsanlagen mit

ca. 70 % relativ konstant.

Die Feststoffgehalte variierten bei der Anlage WABAG (Abb. 6.124) zwischen 15 und

22 g/l, bei der Anlage ZENON (Abb. 6.125) zwischen 20 und 25,5 g/l und bei der Anla-

ge BERGHOF (Abb. 6.126) zwischen 10 und 14 g/l.

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV

WABAG

Abb. 6.124 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA6)

Page 169: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 160 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV ZENON

Abb. 6.125 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA6)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Glü

hver

lust

[%]

TS

GV BERGHOF

Abb. 6.126 Feststoffgehalt und Glühverlust (BERGHOF, VA6)

6.8.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 6i (20.2.98-31.3.98)

6.8.6.1 Zulaufwerte

In der folgenden Tabelle werden die Zulaufwerte vom VA6i zusammengefaßt.

Tab. 6.31 Zulaufkennwerte VA6i (Tag 28 - 83)

CS

B

CS

Bm

f

BS

B5

TO

C

DO

C

SS

SK

4,3

HA

c

TK

N

NH

4+-N

Pge

s

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 231 49 129 59 117 8,1 40 32 4,9

Max 413 90 258 111 300 9,0 60 48 9,8

Mittel 294 71 181 91 168 8,4 49 39 6,7

Anzahl 20 9 9 7 20 9,0 20 9 9,0

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 161 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Der Verlauf der Zulaufwerte von CSB und TKN im VA6i ist in der folgenden Abbildung

dargestellt. Die Zunahme der TKN-Konzentrationen von ca. 40 auf 60 mg/l im Tages-

mittel verläuft umgekehrt zur Abnahme des mittleren Kläranlagenzuflusses (siehe Abb.

6.115). Bei den CSB-Werten ist ebenfalls eine leicht steigende Tendenz zu verzeich-

nen: von 250 auf knapp 350 mg/l.

0

50

100

150

200

250

300

350

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

Versuchstage (VA6)

CS

B im

Zul

auf [

mg/

l]

0

10

20

30

40

50

60

70

TK

N i

m Z

ulau

f [m

g/l]

CSB_zu

TKN_zu

Abb. 6.127 Zulaufkonzentrationen im VA6

6.8.6.2 Ablaufkonzentrationen

a) Kohlenstoff

0

2

4

6

8

10

12

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49

Versuchstage (VA6)

DO

C im

Abl

auf [

mg/

l]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.128 DOC im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF VA6i)

Die DOC-Konzentrationen im Ablauf der Versuchsanlagen WABAG und ZENON lagen

in der Intensivuntersuchungsphase 6i unter 8 mg/l in der Tagesmischprobe. Die Kon-

zentrationszunahme im Ablauf verläuft parallel mit der Konzentrationszunahme im Zu-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 162 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

lauf an CSB. Unterschiede bei den Versuchsanlagen WABAG und ZENON hinsichtlich

der Kohlenstoffelimination gab es nicht.

Bei der Anlage BERGHOF wurden erstmals höhere DOC-Ablaufkonzentrationen ge-

messen als bei den anderen beiden Anlagen. Der Grund hierfür kann in der im Intensiv-

untersuchungszeitraum durchgeführten Modulbelüftung zur Steigerung des Flusses

liegen. Hierzu wurde in das Modul Druckluft eingeblasen um mit höheren Scherkräften

die Deckschicht abzulösen. Auch wenn die Deckschichtablösung nicht zu einer nen-

nenswerten Flußsteigerung führte, so wurde durch diese Maßnahmen zumindest der

DOC im Ablauf erhöht.

b) Stickstoff

Die Stickstoffablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen sind in den folgenden

Abbildungen für den gesamten Versuchsabschnitt VA6 dargestellt.

Im Ablauf der Anlage WABAG wurde an drei Tagen Spitzenkonzentrationen von

15 mg/l NH4+-N gemessen. Diese Überlastungen der Nitrifikation traten parallel mit den

Zuflußspitzen zur Kläranlage auf. Die Nitratkonzentration erreichte Maximalwerte von

34 mg/l.

Bei der Versuchsanlage ZENON konnte an den gleichen Tagen wie bei der Anlage

WABAG die vollständige Nitrifikation nicht immer gewährleistet werden. An diesen Ta-

gen muß - bei Nanorg im Ablauf von über 50 mg/l - eine sehr hohe Zulaufkonzentration

vorgelegen haben. Aufgrund der vollständigeren Nitrifikation wurden bei der Anlage

ZENON mit bis zu 36 mg/l etwas höhere Nitratablaufkonzentrationen gemessen als bei

der Anlage WABAG.

Bei der Versuchsanlage BERGHOF war die Nitrifikation noch völlig unzureichend. Nach

Einbau eines Ammoniumsensors (ab 17.12.) zur Steuerung der N/DN verbesserte sich

die Nitrifikation. Bei ausreichender Nitrifikation lagen die maximalen Nitratkonzentratio-

nen zwischen 20 und 25 mg/l.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 163 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

Ammonium im Ablauf Nitrat im Ablauf

WABAG

Abb. 6.129 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA6)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l]

Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

ZENON

Abb. 6.130 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (ZENON, VA6)

Bei der Versuchsanlage BERGHOF konnte bis zum Versuchstag 40 die intermittieren-

de Nitrifikation und Denitrifikation relativ sicher betrieben werden. Der eingestellte

Grenzwert von 5 mg/l NH4+-N im Ablauf wurde nur vereinzelt überschritten. Es kam a-

ber trotzdem nicht zu einer Erhöhung der Denitrifikationsleistung. Die Nitratablaufkon-

zentrationen lagen mit über 35 mg/l gleich wie bei den anderen Versuchsanlagen. Ab

Versuchstag 40 konnte die Nitrifikation kaum noch sichergestellt werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 164 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)

NO

3- -N u

nd N

H4+

-N [m

g/l] Nitrat im Ablauf

Ammonium im Ablauf

BERGHOF

Abb. 6.131 NO3

--N und NH4+-N im Ablauf (BERGHOF, VA6i)

c) PO43--P -Konzentrationen

In Abb. 6.132 sind die PO43--P –Ablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen auf-

getragen. Im Mittel konnten bei der Anlage BERGHOF mit ca. 3,3 mg/l die höchsten

Konzentrationen gemessen werden im Vergleich zu 3,1 mg/l im Ablauf der Anlage WA-

BAG und 2,6 mg/l im Ablauf der Anlage ZENON.

0

1

2

3

4

5

6

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Versuchstage (VA6)

PO

43--P

im A

blau

f [m

g/l] WABAG

ZENONBERGHOF

Abb. 6.132 PO43--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6-1)

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6.8.6.3 Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination lag im Intensivuntersuchungsabschnitt 6i zwischen 34 und

90 %. Im Mittel wurde von den Anlagen WABAG und ZENON 70 % und von der Anlage

BERGHOF 61 % erreicht. Bei TKN-Zulaufkonzentrationen im Tagesmittel von 50 mg/l

lagen die mittleren Ablaufkonzentrationen an Nanorg bei 15 bis 18 mg/l.

0

20

40

60

80

100

120

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49Versuchstage (VA6)

Stic

ksto

ffelim

inat

ion

[%]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.133 Stickstoffelimination (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)

6.8.6.4 Schlammbelastung, Überschußschlammproduktion und Schlammalter

Zur Verdeutlichung der Auswertung der Feststoffbilanz wird in der folgenden Abbildung

die Zunahme an Feststoffen im VA6 dargestellt. Abgesehen von einer Ausnahme am

Versuchstag 28 bei der Anlage ZENON verlief der TS-Zuwachs bei allen Anlagen na-

hezu identisch.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Versuchstage (VA6)

TS

-Zuw

achs

[kg]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.134 Summenlinie des Feststoffzuwachses (WABAG, ZENON und BERG-

HOF, VA6)

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Die aus der mittleren Feststoffmasse und der CSB-Zulauffracht errechnete

Schlammbelastung ist in der folgenden Abbildung aufgetragen.

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49Versuchstage (VA6)

CS

B-S

chla

mm

bela

stun

g [k

gCS

B/(

kgT

S,d

)]

WABAG ZENON BERGHOF

Abb. 6.135 CSB-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6i)

Aufgrund des niedrigeren Feststoffgehaltes bei der Anlage BERGHOF lagen hier die

Belastungen entsprechend höher. Die mittleren Schlammbelastungen sind in der fol-

genden Tabelle angegeben:

Tab. 6.32 Mittlere Schlammbelastungen im VA6i

WABAG ZENON BERGHOF

CSB-Schlammbelastung in kgCSB/(kgTS⋅d) 0,04 0,04 0,07

TOC-Schlammbelastung in kgTOC/(kgTS⋅d) 0,013 0,012 0,02

Trotz der höheren Belastung bei der Anlage BERGHOF konnten für alle Anlagen ein

identischer Ertragskoeffizient von ca. 0,35 kgTS/kgCSB ermittelt werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 167 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49Versuchstage (VA6)

Ert

rags

koef

fizie

nt

[kgT

S/k

gCS

Bzu

]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.136 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6i)

Die mittleren spezifischen Überschußschlammproduktionen sind in der folgenden Ta-

belle zusammengefaßt.

Tab. 6.33 Mittlere spez. Überschußschlammproduktion im VA6i

WABAG ZENON BERGHOF

spez. ÜS-Produktion in kgTS/kgCSBzu 0,33 0,35 0,38

spez. ÜS-Produktion in kgTS/kgTOCzu 1,08 1,14 1,18

Das Schlammalter ist in der folgenden Abbildung angegeben.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60

Versuchstage (VA6)

Sch

lam

mal

ter

[d]

WABAGZENONBERGHOF

Abb. 6.137 Schlammalter (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)

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Das Schlammalter lag für die Anlagen WABAG und ZENON zwischen 70 und 90 Ta-

gen. Bei der Anlage BERGHOF konstant bei ca. 40 Tagen. Aufgrund der identischen

Überschußschlammproduktion bei den drei Versuchsanlagen kann geschlossen wer-

den, daß das Schlammalter (im untersuchten Bereich zwischen 40 und 100 Tagen) nur

eine untergeordnete Bedeutung für die Überschußschlammproduktion hat.

6.8.7 Zusammenfassung VA6

Bei spezifischen Belastungen von 0,4 bis 0,7 kgCSB/(kgTS⋅d) wurden im VA6 spezifi-

sche Überschußschlammproduktionen von 0,3 kgTS/kgCSBzu erzielt. Diese sind nur

halb so hoch wie im VA5. Bezogen auf die behandelte Abwassermenge wurde in bei-

den Versuchsabschnitten mit 0,1 kgTS/m³ die gleiche Masse an Überschußschlamm

produziert.

Die Stickstoffelimination brachte in diesem Versuchsabschnitt keine neuen Erkenntnis-

se und wird nicht weiter besprochen.

Die hydraulische Leistung der Anlagen WABAG und ZENON war in diesem Versuchs-

abschnitt konstant. Bei mittleren Flüssen zwischen 12 und 15 l/(m2⋅h) wurde die Per-

meabilität nicht erniedrigt. Bei der Anlage WABAG wurde ein konstanter Wert von

225 l/(m2⋅h⋅bar) und bei der Anlage ZENON ein Wert von 100 l/(m2⋅h) gemessen.

Bei der Anlage BERGHOF blieb der Fluß mit maximal ca. 40 l/(m2⋅h) zu niedrig. Auch

durch eine Zusatzbelüftung der Membranmodule konnte keine wesentliche Flußsteige-

rung erzielt werden.

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6.9 Sonderuntersuchungen

6.9.1 Mikrobiologische Parameter

Zur Überprüfung der Keimrückhaltung durch die Membranen wurden im Ablauf der

Versuchsanlagen Stichproben gezogen und auf mikrobiologischen Parameter entspre-

chend der EU-Badegewässerrichtlinie untersucht. Folgende Parameter wurden in

wechselnden Zeitabständen im Ablauf der Anlagen untersucht (Bestimmungsmethode

nach Trinkwasserverordnung):

• Gesamtcoliforme Bakterien (in 100 ml)

• Escherichia coli (in 100 ml)

• Salmonellen (in 1000 ml)

• Fäkalstreptokokken (in 100 ml)

Zusätzlich wurden im letzten Versuchsabschnitt an drei Tagen der Zulauf und die Ab-

läufe der drei Versuchsanlagen auf Viren folgenden Typs untersucht:

• Coliphagen (in 1 ml); Plaque-Assay mit E.coli ATCC 13706 als Wirtsorganismus

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengefaßt. Zusätzlich sind Leit-

und Grenzwerte der EU-Badegewässerrichtlinie aufgeführt.

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Tab. 6.34 Zusammenstellung der mikrobiologischen Parameter im Ablauf der Versuchsanlagen

Gesamtcolif. Bakterien

Escherichia coli Fäkal-streptokokken

Salmonellen

/100 ml (MPN und MF)

/100 ml (MPN und MF)

/100 ml (MF) /1000 ml

EU-Leitwert 500 100 100 -

EU-Grenzwert 10.000 2.000 - 0

VA/Tag (Datum) W Z W Z W Z W Z

2/24 (18.6.98) <30 90 <30 <30 0 0 0 0

2/45 (10.7.97) 0 24 0 0 0 0 0 0

3/33 (13.8.97) 0 11000 0 200 0 0 0 0

3/62 (11.9.97) <30 1500 <30 1500 0 11 0 0

3/97 (16.10.97) 0 950 0 250 0 6 0 0

W Z B W Z B W Z B W Z B

3/110 (29.10.97) 7 450 90 0 450 4 0 28 0 0 0 0

4/6 (11.11.97) 13 150 950 0 17 40 0 7 3 0 0 0

4/22 (27.11.97) 0 70 40 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4/43 (18.12.97) <30 40 <30 <30 <30 <30 0 5 0 0 0 0

5/28 (4.2.98) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5/54 (2.3.98) 9 40 950 0 40 450 0 0 1 0 0 0

5/85 (2.4.98) 0 0 25 0 0 0 0 0 1 0 0 0

6/30 (6.5.98) 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

6/43 (19.5.98) 0 3 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0

6/50 (26.5.98) 0 3 40 0 0 3 0 0 0 0 0 0

Bei der Versuchsanlage WABAG konnten durchgehend ausgezeichnete Werte

hinsichtlich aller mikrobiologischen Parameter erzielt werden. Alle untersuchten Keime

waren unterhalb der Nachweisgrenze.

Bei der Versuchsanlage ZENON wurden zwischenzeitlich erhöhte Keimkonzentrationen

im Ablauf gemessen. So wurden in der Probe vom Anfang August (VA3) 11000 ge-

samtcoliforme Bakterien in 100 ml nachgewiesen. Diese erhöhten Keimkonzentrationen

können durch Undichtigkeiten in der permeatseitigen Verschraubung der neuen Memb-

ranmodule (Tausch Anfang August) erklärt werden. Im weiteren Verlauf der Untersu-

chungen verringerten sich die Keimkonzentrationen im Ablauf kontinuierlich und lagen

gegen Ende der Versuche an oder unter der Nachweisgrenze.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 171 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Auch im Ablauf der Versuchsanlage BERGHOF kam es durch Umbauarbeiten an den

Modulen zu erhöhten Keimkonzentrationen im Ablauf. Anfang November 97 und auch

Anfang März 98 wurden knapp 1000 gesamtcoliforme Bakterien je 100 ml nachgewie-

sen. Mit zunehmender Versuchsdauer und Reduzierung der Umbauarbeiten fielen auch

bei der Anlage BERGHOF die Keimkonzentrationen im Ablauf unter die Nachweisgren-

ze.

In der folgenden Abbildung ist die Konzentration an gesamtcoliformen Keimen im Ab-

lauf der drei Versuchsanlagen über den gesamten Untersuchungszeitraum aufgetra-

gen. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Grenzwert der EU-Badegewässerrichtlinie bei

10.000 gesamtcoliforme Bakterien je 100 ml liegt.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

02.0

4.97

27.0

4.97

22.0

5.97

16.0

6.97

11.0

7.97

05.0

8.97

30.0

8.97

24.0

9.97

19.1

0.97

13.1

1.97

08.1

2.97

02.0

1.98

27.0

1.98

21.0

2.98

18.0

3.98

12.0

4.98

07.0

5.98

01.0

6.98

Ges

amtc

olifo

rme

Bak

terie

n [je

100

ml]

WABAGZENONBERGHOF

11000

EU-Leitwert

Abb. 6.138 Gesamtcoliforme Bakterien im Ablauf (WABAG, ZENON und BERG-

HOF)

In Tab. 6.35 ist die Coliphagenkonzentration im Zu- und Ablauf der drei Versuchsanla-

gen dargestellt.

Tab. 6.35 Coliphagenkonzentration je Milliliter im Zu- und Ablauf

Zulauf Ablauf

VA/Tag und Datum WABAG ZENON BERGHOF

6/42 (18.5.98) 5100 < 1 < 1 < 1

6/43 (19.5.98) 500 < 1 < 1 < 1

6/50 (26.5.98) 200 < 1 < 1 < 1

Bei allen drei Versuchsanlagen lag die Coliphagenkonzentration im Ablauf unter der

Nachweisgrenze von 1 je ml.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 172 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

6.9.2 Stromverbrauch

6.9.2.1 Vorbemerkungen

Die Grundlagen zur Ermittlung des Stromverbrauchs wurden ausführlich im Zwischen-

bericht 4 dargestellt. Hier wird nochmals darauf verwiesen, daß bei der Betrachtung des

spezifischen Energieeinsatzes bei den Versuchsanlagen nur der Stromverbrauch für

die Belüftung der Biologie und der Membranen sowie für die Permeatpumpe betrachtet

wird. Alle anderen Stromverbraucher bei den Versuchsanlagen (Zufuhrpumpen, Rezir-

kulationspumpen, Umwälzpumpen in Denitrifikation, Schaltschrank usw.) sind hier nicht

mit erfaßt worden. Diese Stromverbraucher sind bei der großtechnischen Planung

selbstverständlich noch zu dem hier ermittelten Stromverbrauch hinzu zu rechnen.

6.9.2.2 Versuchsabschnitt 3

Bis zum Ende von Versuchsabschnitt 3 war die Firma WABAG trotz wiederholter Auf-

forderung nicht dazu zu bewegen, einen separaten Stromzähler für das Gebläse einzu-

bauen. Der Stromverbrauch für die Anlage ZENON lag im VA3 - bei noch uneffektiven

Gebläsen - bei 2,5 kWh/m³. Bei der Anlage BERGHOF wurden im VA3 3,5 kWh/m³ er-

mittelt.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)

Ene

rgie

eins

atz

[kW

h/m

³] ZENON

BERGHOF

Abb. 6.139 Spezifischer Energieeinsatz (ZENON und BERGHOF, VA3)

6.9.2.3 Versuchsabschnitt 4

Im VA4 wurde ein Stromzähler für das Gebläse bei der Anlage WABAG eingebaut und

am Versuchstag 12 die Gebläse bei der Anlage ZENON ausgetauscht. Hierdurch konn-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 173 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

te bei der Anlage ZENON der Stromverbrauch von 2,5 kWh/m³ auf weniger als

1,5 kWh/m³ reduziert werden.

Bei der Versuchsanlage WABAG wurde gleichzeitig mit dem Einbau des neuen Strom-

zählers für das Gebläse auch die intermittierende Belüftung in Betrieb genommen. Bei

zu hohem Sauerstoffgehalt in der Biologie und niedrigem Füllstand schaltete sich das

Gebläse und die Permeatpumpe für 10 min ab. Das in der Pause zwischengespeicher-

te Wasservolumen wurde in der anschließenden Filtrationszeit durch Erhöhung des

Flusses wieder abgearbeitet. Aufgrund der fehlenden Stromzählung vor dem Umbau

kann die Einsparung durch diese Umbaumaßnahme nicht angegeben werden, dürfte

aber in der Größenordnung von 1 kWh/m³ liegen. Bei dieser positiven Auswirkung auf

die Energiebilanz darf die negative Auswirkung auf die Membranleistung nicht außer

Acht gelassen werden. Wie ausführlich beim Versuchsabschnitt 4 beschrieben, wird

durch ein reduziertes Luft/Fluß-Verhältnis die Permeabilität nachhaltig beeinträchtigt.

Der mittlere Stromverbrauch im VA4 betrug für die Anlage WABAG 1,3 kWh/m³, für die

Anlage ZENON 1,4 kWh/m³ und für die Anlage BERGHOF 2,9 kWh/m³ (Abb. 6.141).

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Versuchstage (VA4)

Ene

rgie

eins

atz

[kW

h/m

³] WABAG ZENON BERGHOF

Zenon:neue Gebläse

Abb. 6.140 Spezifischer Energieeinsatz (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)

6.9.2.4 Versuchsabschnitt 5

Aufgrund der Untersuchung des Schlammzuwachses und der Steigerung des Fest-

stoffgehaltes kann dieser Versuchsabschnitt nur eingeschränkt zur Beurteilung des

spezifischen Energieeinsatzes herangezogen werden. Es konnten aber wichtige Zu-

sammenhänge zwischen Stromverbrauch und Feststoffgehalt gewonnen werden, die

auch durch die Sauerstoffeintragsversuche bestätigt wurden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 174 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Versuchstage (VA5)

Ene

rgie

eins

atz

[kW

h/m

³]

WABAGZENONBERGHOF

hoheTS-Gehalte bei WABAG und

ZENON

Abb. 6.141 Spezifischer Energieeinsatz (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)

Im VA5 wurde der Feststoffgehalt in den Anlagen WABAG und ZENON bis zum Ver-

suchstag 40 auf über 25 g/l erhöht. Parallel hierzu erhöhte sich auch der spezifische

Stromverbrauch für diese Anlagen auf über 2,5 kWh/m³. Im weiteren Verlauf nahm bei

zurückgehendem TS-Gehalt der Stromverbrauch auf Werte um die 1,6 kWh/m³ für die

Anlage WABAG und 1,4 kWh/m³ für die Anlage ZENON ab.

Bei der Versuchsablage BERGHOF erhöhte sich der mittlere Stromverbrauch infolge

nachlassender Membranleistung auf 3,5 kWh/m³.

6.9.2.5 Versuchsabschnitt 6

Wie schon der VA5 diente auch dieser Versuchsabschnitt nicht der Optimierung des

Energieverbrauchs sondern der Minimierung der Überschußschlammproduktion.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Versuchstage (VA6)

Ene

rgie

eins

atz

[kW

h/m

³]

WABAG

ZENON

BERGHOF

Abb. 6.142 Spezifischer Energieeinsatz (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 175 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Im Versuchsabschnitt 6 erniedrigte sich bei der Anlage BERGHOF infolge einer Memb-

ranreinigung der spezifische Energieeinsatz ab Versuchstag 32 von 3,3 auf

2,5 kWh/m³. Im weiteren Versuchsverlauf erhöhte sich der Stromverbrauch wieder auf

3 kWh/m³. Hierbei ist zu beachten, daß der Stromverbrauch für die Belüftung der Mem-

branmodule mit Druckluft hier nicht mit enthalten ist. Der gesamte Stromverbrauch für

die Membranfiltration liegt bei der Anlage BERGHOF insgesamt höher.

Bei den Anlagen WABAG und ZENON erhöhte sich mit zunehmender Versuchsdauer

(und zunehmendem TS-Gehalt) der Stromverbrauch von ca. 1,6 kWh/m3 auf Werte um

2,5 kWh/m³ für die Anlage ZENON und 2 kWh/m³ für die Anlage WABAG (Abb. 6.142).

6.9.2.6 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Energieeinsatz

Bedingt durch den schlechten Sauerstoffübergang bei hohen Feststoffgehalten wird für

einen konstanten Sauerstoffgehalt in der Biologie eine höhere Luftmenge benötigt.

Hierdurch erhöht sich die Stromaufnahme der Gebläse und der spezifische Strom-

verbrauch.

Der Zusammenhang zwischen Stromverbrauch und Feststoffgehalt kann im Versuchs-

abschnitt 5 sehr gut dargestellt werden. Zur Verdeutlichung wird hier nochmals der

Feststoffgehalt bei den Anlagen WABAG und ZENON dargestellt.

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)

Fes

tsto

ffgeh

alt [

g/l]

WABAGZENON

Abb. 6.143 Feststoffgehalt (WABAG und ZENON, VA5)

Die Verknüpfung der Wertepaare Stromverbrauch und Feststoffgehalt liefert den in fol-

gender Abbildung dargestellten Zusammenhang. Mit Erhöhung des Feststoffgehaltes

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von ca. 12 g/l (WABAG) bzw. 15 g/l (ZENON) auf 25 g/l verdreifacht sich der Strom-

verbrauch von ca. 1,0 kWh/m³ auf 3,0 kWh/m³.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

Spe

z. E

nerg

ieei

nsat

z [k

Wh/

m³]

WABAG

ZENON

Abb. 6.144 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und spez. Stromverbrauch

(WABAG und ZENON, VA5)

6.9.3 Dichte- und Viskositätsmessungen

6.9.3.1 Dichte

Im Zusammenhang mit den Viskositätsmessungen wurde von den Schlämmen der

Versuchsanlagen auch die Dichte durch Auslitern und Abwiegen bestimmt. In der fol-

genden Abbildung sind die Ergebnisse zusammengestellt. Die Werte sind auf eine

Temperatur von 20 °C genormt. Ausgehend von der Dichte von Wasser (bei 20 °C) mit

998,2 g/l steigt die Dichte von belebtem Schlamm mit einem Feststoffgehalt von 30 g/l

auf Werte um 1040 g/l. Dies entspricht einer Zunahme um 4,2 %.

990

1000

1010

1020

1030

1040

1050

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

Dic

hte

[g/l]

y = 0,0388x2 + 0,3173x + 998,2

Abb. 6.145 Darstellung der Dichte in Abhängigkeit des Feststoffgehaltes (gemittelte

Meßergebnisse bei allen Versuchsanlagen, T = 20 °C)

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6.9.3.2 Viskositätsmessungen

Im Zusammenhang mit dem Sauerstoffeintragsversuchen am 3.6.98 wurden an den

Versuchsanlagen Viskositätsuntersuchungen mit einem Rotationsviskosimeter (Bohlin

Visko 88 BV, mit Doppelspalt-Meßsystem) durchgeführt. Die Messungen erfolgten in

Anlehnung an DIN 53019-T01-80.

Ohne die Viskosität näher zu beschreiben, wird darauf hingewiesen, daß es sich beim

Stoffgemisch „belebter Schlamm“ nicht um eine newtonsche Flüssigkeit handelt. Dem-

zufolge ändert sich die Viskosität mit der aufgebrachten Scherrate. Außerdem ist das

System noch thixotrop, zeigt also eine mit zunehmender Zeitdauer der Belastung

(Scherbeanspruchung) abnehmende Viskosität.

Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise den Zusammenhang zwischen Scherrate,

Viskosität und Schubspannung. Die nach DIN anzugebende Viskosität (auch als Cas-

son-Viskosität bezeichnet) ist die Viskosität bei unendlicher Scherrate. Wie deutlich in

der Abbildung zu sehen ist, vermindert sich die Viskosität mit zunehmender Scherrate

erheblich. Welche Viskosität nun für die vorhandenen Systeme mit der jeweiligen Tur-

bulenz nun tatsächlich anzugeben ist, kann im Rahmen dieses Forschungsvorhabens

nicht beantwortet werden.

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Scherrate [1/s]

Sch

ubsp

annu

ng [P

a]

0

50

100

150

200

250V

isko

sitä

t [m

Pa

s]

Schubspannung

Regression nach Casson

Viskosität

scheinbare Viskosität

Schlamm Anlage W ABAGTS: 24.96 g/lTemp. 23 °C

Abb. 6.146 Beispiel einer Viskositätsmessung

In der folgenden Abbildung ist der Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Vis-

kosität für verschiedene Scherraten angegeben. Für die Casson-Viskosität wird eine

unendliche Scherrate angesetzt. Die Versuche wurden bei einer einheitlichen Tempera-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 178 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

tur von 23 °C durchgeführt. Die Viskosität von Wasser beträgt bei dieser Temperatur

ca. 1 mPa⋅s.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20Feststoffgehalt [g/l]

Vis

kosi

tät [

mP

a s]

Casson-Viskosität[mPa s]

Viskosität bei 1200 /s[mPa s]

Viskosität bei 223 /s[mPa s]

?

BERGHOF

Abb. 6.147 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskositäten (belebter Schlamm aus Anlage BERGHOF, T = 23 °C)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

Vis

kosi

tät [

mP

a s]

Casson-Viskosität [mPa s]Viskosität bei 1200 /s [mPa s]Viskosität bei 223 /s [mPa s]

WABAG

Abb. 6.148 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskositäten (belebter

Schlamm aus Anlage WABAG, T = 23 °C)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 179 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

Vis

kosi

tät [

mP

as] Casson-Viskosität [mPa s]

Viskosität bei 1200 /s [mPa s]Viskosität bei 223 /s [mPa s]

ZENON

Abb. 6.149 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskositäten (belebter

Schlamm aus Anlage ZENON, T = 23 °C)

Bei allen Schlämmen ist mit zunehmendem Feststoffgehalt eine stark zunehmende

Viskosität (bei Scherraten von 223 /s) zu verzeichnen. Bei Feststoffgehalten von 25 g/l

wurden bei Scherraten von 223 /s bis zu 40 mPa⋅s gemessen. Dies ist 40 mal höher als

die Viskosität von Wasser bei dieser Temperatur.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40

Temperatur [°C]

Vis

kosi

tät [

mP

a s]

Casson-Viskosität [mPa s]Viskosität bei 1200 /s [mPa s]Viskosität bei 223 /s [mPa s]

WABAG, TS = 25 g/l, GV = 70 %

Abb. 6.150 Zusammenhang zwischen Temperatur und Viskosität (belebter

Schlamm aus Anlage WABAG, TS = 25 g/l, GV = 70 %)

Die Abnahme der Viskosität des Schlammes ist wesentlich geringer ausgeprägt als die

von reinem Wasser. Bei einer Temperaturerhöhung von 10 auf 37 °C wird für Wasser

mit einer Viskositätserniedrigung von 43 % gerechnet. Bei dem hier untersuchten be-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 180 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

lebten Schlamm stellte sich unabhängig von der Scherrate nur eine Viskositätsabnah-

me um ca. 18 % ein. Die Ursache hierfür kann nicht beantwortet werden.

6.9.4 Sauerstoffeintragsversuche

6.9.4.1 Vorgehensweise zur Ermittlung der Sauerstoffzufuhr

Die Vorgehensweise zur Ermittlung der Sauerstoffzufuhr erfolgte gemäß ATV-Merkblatt

M209. Auf eine Beschreibung der Versuchsdurchführung wird verzichtet und nur die

wesentlichen Ergebnisse werden angegeben.

Folgende Eintragsversuche wurden durchgeführt:

Tab. 6.36 Zusammenstellung der Eintragsversuche

Datum Anlagen Bemerkungen

20.1.98 WABAG, BERGHOF, ZENON Betriebsbedingungen

10.2.98 WABAG, BERGHOF, ZENON Betriebsbedingungen

7.4.98 BERGHOF verschiedene Belüftungsvarianten

3.6.98 WABAG, ZENON Verdünnungsreihe mit Reinwasser

Die Verdünnungsreihen am 3.6.98 mit den Anlagen WABAG und ZENON wurden mit

folgenden Feststoffkonzentrationen und Atmungsgeschwindigkeiten durchgeführt (Tab.

6.37). Bei der Atmungsgeschwindigkeit ist zu beachten, daß der Zulauf zu den Anlagen

24 Stunden vor Versuchsbeginn abgestellt wurde um nur noch eine konstante Grund-

atmung bei den Versuchen einzustellen.

Während bei der Anlage ZENON die Atmungsgeschwindigkeit bezogen auf den organi-

schen Feststoffgehalt erwartungsgemäß konstant verlief (Versuch ZENON_0 bis ZE-

NON_3), zeigte sich bei der Anlage WABAG eine starke Abhängigkeit der Atmungsge-

schwindigkeit vom Feststoffgehalt. Eine Erklärung hierfür kann nicht gegeben werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 181 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Tab. 6.37 Zusammenstellung wichtiger Kenngrößen bei den Eintragsversuchen

Datum Anlage und Versuch

Festsstoff-gehalt

Glüh-verlust

Atmungsgeschw. (20°C)

Atmungsgeschw. (20°C)

g/l % mgO2/(l⋅h) mgO2/(goTS⋅h)

11.2.98 WABAG 20,6 66,2 11,2 0,8

11.2.98 ZENON 23,4 61,1 31,1 2,2

11.2.98 BERGHOF 15,2 66,2 24,0 2,4

20.1.98 WABAG 15,0 64,5 18,2 1,9

20.1.98 ZENON 14,5 67,8 23,0 2,3

20.1.98 BERGHOF 15,1 66,0 16,0 1,6

3.6.98 WABAG_0 24,96 69,9 12,8 0,7

3.6.98 WABAG_1 17,42 72,6 13,9 1,1

3.6.98 WABAG_2 11,2 72,3 11,0 1,4

3.6.98 ZENON_0 24,02 70,8 25,4 1,5

3.6.98 ZENON_1 19,5 71,3 18,4 1,3

3.6.98 ZENON_2 13,78 72,3 13,8 1,4

3.6.98 ZENON_3 8,98 71,5 9,0 1,4

6.9.4.2 Auswertung der Eintragsversuche

Zum Vergleich der Sauerstoffeintragsleistung der Versuchsanlage WABAG und ZE-

NON mit konventionellen Belüftungssystemen in Belebungsanlagen mit niedriger Fest-

stoffkonzentration wird die spezifische Sauerstoffzufuhr aOCL,h [gO2/(Nm³⋅mSteighöhe)]

und die spez. Sauerstoffausnutzung OAh [%/m] gewählt. Die Erfahrungswerte für Rein-

wasser- und Betriebsbedingungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt

(Pöpel und Wagner, 1989):

Tab. 6.38 Zusammenstellung von Erfahrungswerten bei konventionellen Bele-bungsanlagen

Belüftungssystem Reinwasserbedingungen Betriebsbedingungen

OAh [%/m]

OC [kg/kWh]

αOAh [%/m]

αOC [kg/kWh]

Band-(Linien-)belüftung 3,1 1,7 1,9 1,0

Flächendeckende Belüftung 4,3 2,4 2,6 1,4

Oberflächenbelüftung (Kreisel) 1,3 1,15

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 182 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Hierbei gilt anzumerken, daß nur die mittleren Werte angesetzt worden sind. Neuere

Belüftungsanlagen können in den Ertragswerten noch deutlich höher liegen.

Eine gute Übereinstimmung mit den angegebenen Bemessungswerten ergibt sich für

die spez. Sauerstoffausnutzung OA. Im Falle der Versuchsanlage ZENON, bei Betrieb

nur mit der flächendeckenden Belüftung für die Biologie, stellten sich unter Reinwas-

serbedingungen eine Sauerstoffausnutzung von 4,2 %/m ein. Die paßt sehr gut mit den

angegebenen 4,3 überein. Die spez. Sauerstoffausnutzung der Membranbelüftung liegt

mit 1,5 %/m erwartungsgemäß sehr niedrig, stimmen aber mit Erfahrungswerten für

grobblasige Belüftungssysteme überein (Imhoff, 1990).

Für die Anlage WABAG ergab sich unter Reinwasserbedingungen eine Sauerstoffaus-

nutzung von ca. 3,0 %/m. Damit stimmt dieser Wert für eine Band- oder Linienbelüftung

überein.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

spez

. Sau

erst

offa

usnu

tzun

g [%

/m]

WABAG

ZENON

ZENON: nur Biologieluft

ZENON: nur Membranluft

Abb. 6.151 Zusammenhang zwischen spez. Sauerstoffausnutzung und Feststoff-

gehalt (Anlagen WABAG und ZENON)

Mit zunehmendem Feststoffgehalt sinken die gemessenen Werte für die Sauerstoff-

ausnutzung drastisch und erreichen bei Konzentrationen von 25 g/l nur noch ca.

0,4 %/m und damit lediglich ca. 13 % der Ausgangswerte.

Die Auswertung des Sauerstoffertrages zeigt die folgende Abbildung. Hierbei ist aber,

wie schon wiederholt erwähnt, anzumerken, daß aufgrund der nicht optimalen Ausle-

gung der Gebläse für die Versuchsanlagen diese Ergebnisse nur als Anhaltswerte zu

verwenden sind. Durch Optimierung der Gebläse und der Leitungsführung sind sicher-

lich um bis zu 20 % höhere Werte zu erzielen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 183 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

standen hier aber nicht die absoluten Werte, sondern nur die prozentuale Abnahme mit

zunehmendem Feststoffgehalt.

Unter Reinwasserbedingungen erreichte die flächendeckende Belüftung (Biologie) bei

der Versuchsanlage ZENON einen Wert von 1,65 kgO2/kWh. Dies liegt deutlich unter

den mittleren Erfahrungswerten von 2,4 kg/kWh. Ursache für die Abweichung ist sicher-

lich die nicht optimale Auslegung der Gebläse und der erhöhte Reibungsverlust in den

Luftleitungen aufgrund der verwinkelten und langen Leitungsführung im Container die-

ser Versuchsanlage. Die Reinwasserergebnisse bei der Anlage WABAG liegen mit ca.

0,6 kg/kWh ebenfalls deutlich unter dem Erfahrungswert von 1,7 kg/kWh. Ursache hier-

für ist wiederum der niedrige Wirkungsgrad des Gebläses.

Für die Anlage BERGHOF wurden nur zwei Versuche mit unterschiedlichem Feststoff-

gehalt durchgeführt, Reinwasserversuche fehlen noch. Der Sauerstoffertrag der Ober-

flächenbelüftung liegt, bezogen auf den gesamten Energieeinsatz, bei Werten kleiner

0,2 kg/kWh.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

Sau

erst

offe

rtra

g [k

gO2/

kWh]

WABAG

ZENONBERGHOF

ZENON: nur Biologieluft

ZENON: nur Membranluft

Abb. 6.152 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Sauerstoffertrag (Anla-

gen WABAG, ZENON und BERGHOF)

Den wesentlichen Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und α-Wert bei den Ver-

suchsanlagen in Immenstaad zeigt Abb. 6.152. Ausgehend von Feststoffkonzentratio-

nen im Belebungsbecken von ca. 25 g/l wurde bei beiden Anlagen schrittweise

Schlamm abgelassen und mit Permeat aufgefüllt. Bei jeder Verdünnungsstufe wurde

die Sauerstoffzufuhr ermittelt. Wird der Sauerstoffeintrag mit Reinwasser (Leitungswas-

ser) zu 1 gesetzt, verringert sich der Eintrag mit zunehmendem Feststoffgehalt auf Wer-

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te unter 0,2 für Feststoffgehalte über 20 g/l. Die Tendenz ist hierbei für alle Versuchsan-

lagen gleich.

Ein Vergleichsversuch bei der Anlage WABAG sowohl mit Filtrat als auch mit Leitungs-

wasser bracht keine grundlegenden Unterschiede im Sauerstoffeintrag.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]

α-W

ert [

-]

WABAGZENON

Anlage WABAG:Qluft,ges = 60 Nm³/hAnlage ZENONQLuft, Biologie = 57 Nm³/hQLuft, Membranen = 90 m³/h

Versuch mit Reinwasser (W)

Versuch mit Filtrat (W)

Abb. 6.153 Zusammenhang zwischen Sauerstoffeintrag und α-Wert (Versuchsan-lagen Immenstaad)

Dieser Zusammenhang zwischen Sauerstoffeintrag und Feststoffgehalt ist von elemen-

tarer Bedeutung für die Auslegung von Membranbelebungsanlagen. Die Verminderung

des Eintragsfaktors ist immer mit einer Erhöhung der Luftzufuhr und des Energie-

verbrauchs gleich zu setzen. Wird für konventionelle Anlegen mit einem Feststoffgehalt

von 4 g/l ein α-Wert von 0,7 angesetzt, bedeutet die Erhöhung des Feststoffgehaltes

von 4 auf 20 g/l mit einer Verminderung des α-Wertes auf 0,18 - bei sonst gleichen

Randbedingungen - eine Erhöhung der Luftzufuhr und damit des Energieeinsatzes für

die Belüftung um 400 %.

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7 Schlußbetrachtungen

7.1 Grundsätzliches

Die Untersuchungsergebnisse resultieren aus dem 15-monatigen Betrieb der Ver-

suchsanlagen auf der kommunalen Kläranlage Immenstaad des Abwasserzweckver-

bandes Lipbach-Bodensee. Vor einer Übertragung der Ergebnisse auf vergleichbare

Anwendungsfälle sind die Zulaufverhältnisse und die Abwasserzusammensetzung im

konkreten Fall zu überprüfen.

Wie sich in den Untersuchungen herausstellte, unterscheidet sich der Stoffumsatz in

Membranbelebungsanlagen hinsichtlich Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikati-

on nicht grundsätzlich vom Stoffumsatz bei konventionellen Belebungsanlagen. In den

folgenden Schlußbetrachtungen wird nur auf die Punkte eingegangen, die speziell bei

Membranbelebungsanlagen zu betrachten sind.

7.2 Zuverlässigkeit der Versuchsanlagen

Der Betrieb der Versuchsanlagen WABAG und ZENON war weitgehend störungsfrei

und zuverlässig. Der Anlagenbetrieb erfolgte automatisiert. Unterbrechungen des konti-

nuierlichen Anlagenbetriebes wurden hauptsächlich durch externe Probleme, wie de-

fekte Zuleitungspumpen, Ausfall von Sicherungen durch schadhafte Stromleitungen

usw. verursacht. Die Zusammensetzung des zulaufenden Abwassers verursachte bei

diesen Anlagen keine Schwierigkeiten bei den Membraneinheiten. Ein kurzfristiger Ver-

suchsbetrieb mit Rohabwasser scheiterte an verstopften Zufuhr- und Umwälzpumpen.

Die Funktionsfähigkeit der getauchten Membraneinheiten (Platten- und Hohlfasermodu-

le) wurde dadurch aber nicht beeinträchtigt.

Die Versuchsanlage BERGHOF konnte aufgrund der faserigen Anteile im Zulauf nicht

kontinuierlich betrieben werden. Das installierte Sieb mit einer Maschenweite von 3 mm

konnte die Fasern nicht zurückhalten und der Zulaufbereich der Rohrmodule verstopfte

in regelmäßigen Zeitabständen. Diese Verstopfungen mußten durch manuelles Rück-

spülen entfernt werden. Zusätzlich wurden die Rohrmodule in unregelmäßigen Zeitin-

tervallen ausgebaut und chemisch gereinigt. Rohrmembranen erwiesen sich bei der

gegebenen Zulaufzusammensetzung als nicht geeignet.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 186 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Das Plattenmodul in der Anlage WABAG wurde innerhalb des gesamten Versuchszeit-

raumes von 475 Tagen (einschließlich Einfahrphase) nach 330 Tagen erstmalig che-

misch gereinigt. Die Reinigung erfolgte in-situ, ohne Ausbau des Membranmoduls.

Die Hohlfasermodule (Typ ZW500) in der Anlage ZENON wurden über einen Zeitraum

von 340 Tagen betrieben. Eine chemische Reinigung erfolgte nach 160 Betriebstagen.

Die Reinigung erfolgte ebenfalls in-situ.

7.3 Hydraulische Leistung der Membraneinheiten

Wie sich im Versuchsbetrieb herausstellte, stehen sich die Forderungen nach einer

möglichst hohen hydraulischen Leistung und einem konstanten Betriebsverhalten dia-

metral entgegen. Einerseits sind die Investitionskosten zu reduzieren und von daher

Membranen hoch zu belasten, andererseits dürfen die Reinigungsintervalle der Memb-

raneinheiten nicht zu kurz werden.

In der mehr als einjährigen Untersuchungsperiode zeigte sich, daß der entscheidende

Bemessungsfall für den Einsatz der Membrantechnologie in der kommunalen Abwas-

serreinigung von ausgiebigen Niederschlägen in der kalten Jahreszeit ausgeht. Hohe

hydraulische Belastungen bei niedrigen Temperaturen führen zu einer nachhaltigen

Beeinträchtigung der Membranleistung. Bei einer Abwassertemperatur von 10 °C soll-

ten folgende maximalen Flüsse nicht überschritten werden:

Tab. 7.1 Bemessungsflüsse bei 10°C in l/(m²⋅h)

Anlage maximaler Fluß (Mischwasser) Trockenwetterfluß

WABAG 30 17

ZENON 24 13

BERGHOF 45 25

Bei diesen Flüssen ist mit einer ausreichend konstanten Membranleistung für eine

Dauer von mindestens 6 bis 12 Monaten zu rechnen.

Die Reinigungszyklen der Membranen sind so zu legen, daß mit Beginn der kalten Jah-

reszeit die maximale hydraulische Leistung zur Verfügung steht. Eine sich innerhalb der

Wintermonate einstellende Verringerung der Permeabilität kann in der Sommermona-

ten durch höhere Abwassertemperaturen kompensiert werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 187 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

7.4 Wichtige Betriebskennwerte

Die Abwassertemperatur in den Versuchsanlagen variierte im gesamten Untersu-

chungszeitraum zwischen 8 und 23 °C. Der pH-Wert lag üblicherweise bei 7,5. In Ab-

hängigkeit des jeweiligen Untersuchungsschwerpunktes wurden Feststoffgehalte zwi-

schen 10 und 25 g/l eingestellt. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Fluß und

Feststoffgehalt konnte nicht gefunden werden. Der organische Anteil der Feststoffe lag

durchschnittlich bei ca. 70 %. Im Versuchsabschnitt mit Simultanfällung reduzierte sich

der Glühverlust auf ca. 60 %.

7.5 Rückhalt von Feststoffen

Der Rückhalt von Feststoffen war über den gesamten Versuchszeitraum bei allen Ver-

suchsanlagen vollständig. Im Ablauf konnten keine abfiltrierbaren Feststoffe nachge-

wiesen werden. Eine Beschädigung der Membran war bei keiner Versuchsanlage zu

verzeichnen.

7.6 Kohlenstoffelimination

Die mittlere CSB-Elimination betrug bei allen Versuchsanlagen zwischen 90 und 95 %.

Die aus Tagesmischproben ermittelten CSB-Werte im Ablauf der Versuchsanlagen la-

gen - in Abhängigkeit der Zulaufwerte - zwischen 10 und 20 mg/l. In Stichproben konn-

ten Werte bis maximal 30 mg/l gemessen werden. Die DOC-Konzentrationen im Ablauf

variierten zwischen 2 und 10 mg/l. Die Unterschiede in den Ablaufkonzentrationen der

einzelnen Anlagen waren minimal. Ein Zusammenhang zwischen Membranmaterial

bzw. Porengröße und DOC - Ablaufkonzentrationen konnte nicht gefunden werden. Die

Kohlenstoffelimination kann bei allen Anlagen als vollständig bezeichnet werden.

7.7 Stickstoffelimination

Bei der Betrachtung der Stickstoffelimination ist die Zusammensetzung des zufließen-

den Abwassers zu berücksichtigen. Das für die Denitrifikationsleistung maßgebende

TKN/BSB5-Verhältnis kann mit 0,4 als äußerst ungünstig bezeichnet werden. Unab-

hängig von der Wahl einer speziellen Anlagentechnik ist bei mittleren TKN-

Zulaufkonzentrationen von 50 mg/l mit dieser Abwasserzusammensetzung der Über-

wachungswert von 18 mg/l Nanorg nicht einzuhalten. In den Untersuchungen zeigte sich

außerdem, daß alleine mit der Bewirtschaftung bzw. getrennten Behandlung der stick-

stoffhaltigen Abwässer aus der Schlammbehandlung der Überwachungswert auch ü-

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 188 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

berschritten wird. Die positive Kombinationswirkung einer verkleinerter Vorklärung (we-

niger Entnahme von organischem Substrat) und einer getrennten Schlammwasserbe-

handlung konnte in den Versuchsphasen nicht untersucht werden, ist aber bei der Aus-

bauplanung der Kläranlage unbedingt zu berücksichtigen.

Vor diesem Hintergrund ist die bei allen Versuchsanlagen unzureichende Stickstoffeli-

mination zu bewerten. Jedoch zeigten sich innerhalb der Versuchsanlagen einige Un-

terschiede. So gelang es bei der Anlage BERGHOF nicht, die Regelung der intermittie-

renden Nitrifikation und Denitrifikation auf die stark schwankenden Stickstoffzulaufkon-

zentrationen bzw. -frachten zu optimieren. Eine sichere Einhaltung des Ammoni-

umgrenzwertes von 5 mg/l war bei gleichzeitig weitgehender Denitrifikation nicht mög-

lich. In Betriebsphasen mit Einhaltung des Ammoniumgrenzwertes stellte sich nicht die

erhoffte Denitrifikationsleistung ein. Die Konzentrationsspanne im Zulauf war zu groß

für die Toleranzweite einer Einbecken-Biologie.

Bei der Versuchsanlage WABAG konnte nicht immer vollständig nitrifiziert werden. Dies

lag zum einen an der grobblasigen Belüftung, die erst im Versuchsverlauf gegen eine

feinblasige ausgetauscht wurde, und zum anderen an der zu geringen Gebläseleistung.

Wie sich im Zusammenhang mit den Sauerstoffeintragsversuchen zeigte, kann die

punktförmige Anordnung der Belüftung unter dem Membranmodul für den Sauerstoff-

eintrag als ungünstig bezeichnet werden.

Durch die höhere Gebläseleistung und die Aufteilung der Belüftung in eine punktförmi-

ge Membranbelüftung und eine flächendeckend „Biologiebelüftung“ konnte bei der An-

lage ZENON fast immer vollständig nitrifiziert werden.

Die Denitrifikation war bei den Versuchsanlagen WABAG und ZENON, hauptsächlich

aufgrund des ungünstigen TKN/BSB5-Verhältnisses unzureichend. Allerdings stellten

sich auch Betriebszustände ein, bei den die spezifische Anlagentechnik niedrige De-

nitrifikationsleistungen hervorgerufen hat. Dies war der Fall bei hohen Mischwasserzu-

flüssen mit niedrigen CSB-Werten, aber TKN-Zulaufkonzentrationen über 25 mg/l. Die

hohen Membranflüsse erfordern systembedingt hohe Luftmengen zur Erzeugung einer

ausreichenden Turbulenz auf der Membranoberfläche. Dadurch werden hohe Sauer-

stoffkonzentrationen in der Nitrifikation erzielt und durch die Rezirkulation die Nitratat-

mung reduziert.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 189 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

7.8 Phosphorelimination

Die Phosphorelimination durch Simultanfällung von Phosphaten verlief bei allen Anla-

gen ausgezeichnet. Bei einer mittleren Fällmitteldosierung von ca. 10 gFe/m³, entspre-

chend einem β-Wert von 1,5, konnten Konzentrationen von 0,3 mg/l PO43--P im Ablauf

sicher eingehalten werden. Aufgrund des feststofffreien Ablaufs kann dieser Wert mit

den Pges-Konzentration gleichgesetzt werden.

Wie sich bei den Untersuchungen zeigte, variieren die Phosphorkonzentrationen im

Tagesverlauf nur gering. Mit geringem regelungstechnischen Aufwand ist eine konstant

niedrige P-Konzentration im Ablauf durch Simultanfällung möglich.

Eine negative Auswirkung der Fällung auf die hydraulische Leistung der Membranen

konnte nicht beobachtet werden.

Der zusätzliche Schlammanfall durch die Fällung betrug 30 bis 50 %.

7.9 Mikrobiologische Parameter

Aus der Untersuchung von 15 Proben während des gesamten Versuchszeitraumes auf

mikrobiologische Parameter kann geschlossen werden, daß bei konstantem Betrieb,

ohne Eingriffe in die Anlagentechnik, keine Keime im Ablauf der Anlagen nachgewiesen

werden können. Diese Ergebnisse beziehen sich auf die untersuchten Parameter: ge-

samtcoliforme Keime, Escherichia coli, Salmonellen und Fäkalstreptokokken.

So wurde im Ablauf der Anlage WABAG in keiner Probe Keime gefunden. Das Abwas-

ser kann durchgehend als hygienisch einwandfrei bezeichnet werden.

Im Ablauf der Anlage ZENON und auch der Anlage BERGHOF konnten zeitweise er-

höhte Keimzahlen gemessen werden. Diese Ereignisse fielen mit den Umbaumaßnah-

men an den Membranmodulen zusammen. Im weiteren Verlauf konnten bei konstan-

tem Anlagenbetrieb auch bei diesen Anlagen keine Keime mehr nachgewiesen werden.

Zusätzlich wurde mittels drei Stichproben die Elimination von Viren (Coliphagen) unter-

sucht. Bei einer Choliphagenkonzentration im Zulauf von 200 bis 5100 Coliphagen je

Milliliter konnten im Ablauf von allen Versuchsanlagen keine Coliphagen mehr nachge-

wiesen werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 190 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

7.10 Schlammbelastungen und Überschußschlammproduktion

Die Schlammbelastungen der Versuchsanlagen lagen im gesamten Untersuchungszeit-

raum zwischen 0,1 und 0,01 kgCSB/(kgTS⋅d). Im Mittel wurde bei Trockenwetterbedin-

gungen eine Schlammbelastung von 0,06 kgCSB/(kgTS⋅d) eingestellt.

Die spezifischen Überschußschlammproduktionen zeigten - entgegen der Erwartung -

kein einheitliches Bild in Abhängigkeit der Schlammbelastung. Es konnten spezifische

Überschußschlammproduktionen zwischen 0,2 und 0,8 kgTS/kgCSBzu gemessen wer-

den (im Mittel 0,6 kgTS/kgCSBzu). Auffallend war über den gesamten Versuchszeitraum

hinweg eine relativ konstante, auf den Abwasserzufluß bezogen Über-

schußschlammproduktion bei allen Versuchsanlagen. Hier konnten folgende Werte er-

mittelt werden:

Tab. 7.2 Mittlere Überschußschlammproduktion in kgTS/m³Abwasser

Bei hohem Mischwasseranteil 0,05

Übliche Trockenwetterbedingungen 0,1

Mit Simultanfällung 0,15

7.11 Sauerstoffzufuhr und Feststoffgehalt

Von elementarer Bedeutung, insbesondere bei der Betrachtung des Energiebedarfs, ist

der Zusammenhang zwischen Sauerstoffzufuhr und Feststoffgehalt. Wie in ausführli-

chen Sauerstoffeintragsversuchen gezeigt werden konnte, verringert sich die Sauer-

stoffzufuhr mit zunehmendem Feststoffgehalt erheblich. Wird die Sauerstoffzufuhr unter

Reinwasserbedingungen zu 100 % gesetzt, so verringert sich die Sauerstoffzufuhr bei

einem Feststoffgehalt von 10 g/l auf 45 %, bei Feststoffgehalten von 20 g/l auf 18 %

und bei Feststoffgehalten von über 25 g/l auf nur noch 10 %. Wird für konventionelle

Belebungsanlagen mit einem Feststoffgehalt von 4 g/l ein Eintragsverhältnis (α-Wert)

von 70 % angenommen, so bedeutet eine Erhöhung des Feststoffgehaltes auf 20 g/l

eine gleichzeitige Erhöhung der Luftzufuhr - und damit auch des Energieverbrauchs -

um 400 %.

In den Untersuchungen konnte auch gezeigt werden, daß die konzentrierte Belüftera-

nordnung unter den Membranmodulen (bei der Anlage WABAG) eine geringe Sauer-

stoffzufuhr mit sich bringt. Die Sauerstoffausnutzung dieser Belüfteranordnung liegt

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 191 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

bestenfalls in der Größenordnung von mittelmäßigen Band- oder Linienbelüftern. Flä-

chendeckende Belüftungen, wie sie in konventionellen Belebungsanlagen angeordnet

werden, weisen eine um bis zu 30 % erhöhte Sauerstoffausnutzung auf. Der Energie-

bedarf ist entsprechend um 30 % niedriger.

Die Versuchsanlage ZENON ist hinsichtlich der Belüftung der Biologie schon optimiert.

Die hier eingebaute flächendeckende Belüftung erzielt hohe spezifische Sauerstoffaus-

nutzungen. Wie sich in den Versuchen zeigte, genügt bei Mischwasserzufluß allein die

Belüftung der Membranen zur Deckung des Sauerstoffbedarfs. Die Sauerstoffausnut-

zung dieses Belüftungssystems (grobblasige Punktbelüftung) liegt ca. 65 % unter der

Sauerstoffausnutzung von flächendeckenden Belüftungen. Für den Mischwasserzufluß

mit ausreichender Sauerstoffzufuhr durch die Membranbelüftung bedeutet dies, daß

der Energiebedarf bei diesem Betriebszustand um bis zu 65 % gegenüber einer kon-

ventionellen Belebung mit flächendeckender Belüftung erhöht ist.

7.12 Systemrelevanter Energieeinsatz

Die hier angegebenen Stromverbrauchswerte beziehen sich ausschließlich auf die für

diese Anlagentechnik relevante Verbraucher. Bei den getauchten Membransystemen

wurden die Gebläse für die Biologie und die Belüftung der Membranen sowie die Saug-

pumpen berücksichtigt. Bei der Anlage BERGHOF betrifft dies die Umwälzpumpen für

die Membranüberströmung und die Zufuhrpumpe. Zusätzliche Stromverbraucher wie

Zulaufpumpen, Rezirkulationspumpen und Rührwerke wurden hier nicht berücksichtigt.

Im Versuchsabschnitt 4 konnte für die Anlage WABAG (mit intermittierender Belüftung)

und für die Anlage ZENON (optimierte Gebläse) im Mittel ein spezifischer Strom-

verbrauch von 1,3 bis 1,4 kWh/m³ ermittelt werden. In diesem Versuchsabschnitt betrug

der Feststoffgehalt ca. 13 g/l. Hierbei muß allerdings erwähnt werden, daß die intermit-

tierende Belüftung bei der Anlage WABAG eine negative Auswirkung auf die Membran-

leistung hatte. Eine Reduzierung der Luftmenge aus Gründen der Energieeinsparung

kann nur mit verkürzten Reinigungsintervallen in Kauf genommen werden.

Die Versuchsanlage BERGHOF wies einen durchschnittlichen Energiebedarf von 3 bis

3,5 kWh/m³ auf. Aufgrund Umwälzpumpen mit geringem Wirkungsgrad und einer zu

geringen Membranleistung (teilweise Verstopfungen) konnten niedrigere Werte nicht

erzielt werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 192 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

Im weiteren Verlauf der Untersuchungen zeigte sich, wie aus den Ergebnissen zum

Sauerstoffeintrag auch nicht anders zu erwarten war, daß der spezifische Energieein-

satz bei Feststoffgehalten von 25 g/l auf über 2,5 kWh/m³ für die getauchten Membran-

systeme WABAG und ZENON ansteigt. Aus Gründen der Energieeinsparung sollte in

Membranbelebungsanlagen ein Trockensubstanzgehalt kleiner 15 g/l eingestellt wer-

den.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 193 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1

8 Literatur

Pöpel, H.J., Wagner, M. (1989). Sauerstoffeintrag und Sauerstoffertrag moderner Belüf-tungssysteme. Korrespondenz Abwasser 36, 582 – 590

Pöpel, H.J. (1985). Grundlagen zur Optimierung der Belüftung und Energieeinsparung, Schriftenreihe WAR, 23, TH Darmstadt.

Günder, B. und Krauth, Kh. (1997). Belebungsverfahren mit minimaler Über-schußschlammproduktion. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 145.

Chmiel, H. (1993). Integration von Membrantrennverfahren in kontinuierliche Biopro-zesse. Chem.-Ing.-Tech. 65, 7, 848-852

Bohn, T. (1993). Wirtschaftlichkeit und Kostenplanung von kommunalen Abwasserrei-nigungsanlagen. Dissertation an der Universität Stuttgart.

Imhoff, K. und K.R. (1990). Taschenbuch der Stadtentwässerung. R. Oldenbourg-Verlag. München, Wien

Page 203: Schlußbericht - Cleaner Production...Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht

Universität Stuttgart

Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft

Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran

Abteilung Abwassertechnik

Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth

Bandtäle 2, 70569 Stuttgart

Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch

Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark

variablen Zulaufverhältnissen

auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes

Lipbach-Bodensee

Schlußbericht Teil 2

Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen

Auftraggeber:

Regierungspräsidium Tübingen

Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung,

Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des

Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg

Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth

Sachbearbeiter: Frau Dr. rer. nat. B. Behnke

September 1998

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite II Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Inhaltsverzeichnis Teil 2

Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen

1 Zielsetzung der Untersuchungen ......................................................................1

2 Untersuchungen der Anreicherung anorganischer und organischer Schadstoffe im belebtem Schlamm ..................................................................2 2.1 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 1 - 4)..........2 2.2 Gehalte von Schwermetallen im belebtem Schlamm

(Versuchsabschnitte 1 - 4) .........................................................................4 2.3 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem

Schlamm (Versuchsabschnitte 1 - 4) .........................................................7 2.4 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6)...........8 2.5 Gehalt der Schwermetalle im belebtem Schlamm

(Versuchsabschnitte 5, 6)...........................................................................9 2.6 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem

Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6) ........................................................12 2.7 Gehalt von AOX im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6) .............................13 2.8 Gehalt von Schwermetallen im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6) ...........14 2.9 Untersuchung der Gehalte anorganischer Ionen (Nährstoffe) im

belebtem Schlamm ..................................................................................15

3 Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen.....17

4 Untersuchungen zum Abbau umweltrelevanter organischer Substanzen .20 4.1 EDTA und anionische Tenside.................................................................20 4.2 Arzneimittel und Stickstoffverbindungen ..................................................20 4.3 Endokrin wirksame Substanzen...............................................................22 4.4 Tests auf endokrine Wirkung....................................................................24

5 Methoden und Daten.........................................................................................26 5.1 Probenahme.............................................................................................26 5.2 Analysenverfahren ...................................................................................26

5.2.1 Verwendete DIN-Verfahren.........................................................26 5.2.2 EDTA-Bestimmung .....................................................................27 5.2.3 Bestimmung des Gesamtphosphors...........................................27 5.2.4 Proteinbestimmung (modifizierte Methode nach Lowry).............27 5.2.5 Bestimmung der nicht-abbaubaren, nicht-

membrangängigen Substanzen..................................................27 5.2.6 Bestimmung der Arzneimittel ......................................................28 5.2.7 Bestimmung der endokrin wirksamen Substanzen.....................28

5.3 Analysenergebnisse in Tabellenform.......................................................28 5.3.1 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 1 - 4.....................28 5.3.2 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 5, 6 ......................32

6 Zusammenfassung ...........................................................................................39

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Symbolverzeichnis AOX Adsorbierbare organische Halogenverbindungen BBP Benzylbutylphthalat DBP Di-n-butylphthalat EDTA Ethylendiamintetraessigsäure GV Glühverlust LAS lineare Alkylsulfonate LOEC lowest observable effective concentration MBAS Methylenblauaktive Substanzen m-RNA messenger ribonucleic acid n.a. nicht auswertbar n.n. nicht nachweisbar PCB Polychlorierte Biphenyle PCDD Polychlorierte Dibenzodioxine PCDF Polychlorierte Dibenzofurane PCR polymerase chain reaction PNEC predicted no effect concentration SDS Natriumdodecylsulfat TS Trockensubstanz VA Versuchsabschnitt

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 1 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

1 Zielsetzung der Untersuchungen

Mit der Untersuchung des belebten Schlammes und des Ablaufs der Membrananlagen

sollten folgende Fragen geklärt werden:

• Reichern sich Schadstoffe im Schlamm der Membrananlagen an, die gesonderte

Entsorgungswege notwendig machen?

• Reichern sich nicht-membrangängige Substanzen im belebtem Schlamm an, die

die biologische Aktivität oder den Betrieb stören?

• Werden die Konzentrationen umweltrelevanter Stoffe im Abwasser gesenkt?

Zur Klärung dieser Fragen wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Substanzen in das Un-

tersuchungsprogramm aufgenommen. Die Auswahl zur Untersuchung der Anreiche-

rung im Schlamm orientierte sich an der Klärschlammverordnung. Die Untersuchung

der Abwasserqualität erfolgte anhand aktueller umweltrelevanter Stoffgruppen und Ein-

zelstoffe. Für einen direkten Vergleich mit konventioneller Klärtechnik wurden zusätzlich

Proben des belebten Schlamms und des Ablaufs des Klärwerks Immenstaad (Ver-

gleichsanlage) untersucht. Die Untersuchungen wurden nur mit dem Schlamm und den

Abläufen der Anlagen der Firmen Wabag und Zenon durchgeführt. Aufgrund des späte-

ren Versuchsstarts wurde die Anlage Berghof hier nicht Untersucht.

Tab. 1 Übersicht der untersuchten Substanzklassen

VA 1-6 Anreicherung anorganischer und organischer Schadstoffe im beleb-tem Schlamm: - Schwermetalle - Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) - Polychlorierte Biphenyle (PCB)

VA 5,6 Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen

VA 1-4 VA 5,6

Untersuchungen zur Konzentration umweltrelevanter organischer Schadstoffe im Ablauf: - EDTA, Tenside - Arzneimittel und Stickstofforganische Verbindungen - Stoffe mit endokriner Wirkung - Tests auf endokrine Wirkung Vorversuche Intensivuntersuchungen

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 2 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Die Untersuchungen zur Anreicherung von Schadstoffen erfolgte im Anschluß an eine

Anlaufphase über alle Versuchsabschnitte. Die Untersuchungen zur Anreicherung

nicht-membrangängiger Substanzen und des Abbauverhaltens wurden während der

Intensivuntersuchungsphasen der Versuchsabschnitte 5, 6 durchgeführt.

2 Untersuchungen der Anreicherung anorganischer und organischer

Schadstoffe im belebtem Schlamm

Bei den Schlammuntersuchungen sollte geklärt werden, inwieweit sich anorganische

oder organische Schadstoffe im Schlamm anreichern. Des weiteren sollte untersucht

werden, ob zu erwarten ist, daß der Überschußschlamm für eine Ausbringung auf

landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzte Böden gemäß Klärschlammverordnung

geeignet ist.

Hierzu wurden die Gehalte der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen

(AOX), der Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Quecksilber und Zink

und der polychlorierten Biphenyle (PCB) im belebtem Schlamm in Abständen von ca. 4

- 6 Wochen im Zeitraum von Juli 1997 - Mai 1998 bestimmt. Die Auswertung erfolgt in

zwei Teilen entsprechend den Versuchsabschnitten VA 1 - 4 (1997) und den Versuchs-

abschnitten 5, 6 (1998).

Auf eine Bestimmung der polychlorierten Dibenzodioxine (PCDD) und Dibenzofurane

(PCDF) wurde aufgrund der hohen Kosten und des zu den PCB analogen Anreicher-

ungsverhaltens (hohe Persistenz, geringe Wasserlöslichkeit, niedriger Dampfdruck,

gute Adsorption an Feststoffe) verzichtet.

2.1 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 1 - 4)

Abb. 1 zeigt den Gehalt der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen im be-

lebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der Firmen Wabag

und Zenon. In allen Fällen waren die Höchstwerte der Klärschlammverordnung unter-

schritten. Der Mittelwert der Vergleichsanlage lag mit 132 mg/kg TS deutlich unter dem

Durchschnittswert der Membrananlagen von 274 mg/kg TS. Dabei war der AOX-Gehalt

bei der Vergleichsanlage annähernd konstant. Auffällig ist jedoch die deutliche Abnah-

me des AOX-Gehaltes im Schlamm der Membrananlagen und die Annäherung an den

Wert der Vergleichsanlage zu Jahresende.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 3 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

AOX

117 119105

186

114

154

393

363

195 196

391

271

216

157

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV 500 mg/kg TS)

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen Abb. 1 Gehalt adsorbierbarer organischer Halogenverbindungen (AOX) im be-

lebtem Schlamm (1997)1

Tab. 2 Ergebnisse der Klärschlammuntersuchungen der Kläranlagen Immen-staad und Hattenweiler2 (Teil Schwermetalle und AOX)

(mg/kg TS) Hattenweiler 12.3.1997

Immenstaad 15.04.1997

Immenstaad 30.01.1998

AOX Blei Cadmium Chrom Kupfer Nickel Quecksilber Zink

17065

136

25525

01107

, ,

8 31

7032

032

20424

0533

, ,

73 30

11044

134

28823

1800

, ,

1 1

Der belebte Schlamm für die Membrananlagen wurde dem Belebungsbecken des Klär-

werks Hattenweiler entnommen (eisenfrei). Tab. 2 zeigt die Ergebnisse der Klär-

schlammuntersuchungen der Klärwerke Hattenweiler und Immenstaad im Frühjahr

1997. Der AOX-Gehalt im Klärschlamm liegt mit 170 mg/kg TS in Hattenweiler deutlich

über den 70 mg/kg TS in Immenstaad. Es ist daher anzunehmen, daß die anfänglich

1 Höchstwert für Klärschlammuntersuchungen gemäß AbfKlärV vom 15.04.1992 2 Die Analysen wurden vom Institut Fresenius, Stockach, durchgeführt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 4 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

hohen Gehalte in den Membrananlagen von der hohen Belastung des Hattenweiler

Schlamms hervorgerufen wurden. Bei der geringeren Belastung des Immenstaader

Zulaufs hat sich der Gehalt der Membrananlagen im Laufe des halben Jahres durch

Abbau oder durch Überschußschlammentnahme dem Wert der Vergleichsanlage an-

genähert, liegt jedoch noch ca. 30 % darüber.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der AOX-Gehalt im belebtem Schlamm

häufig über dem Gehalt des daraus hervorgehenden Klärschlamms liegt, da die Halo-

genverbindungen bei der Faulung zum Teil weiter abgebaut werden.

2.2 Gehalte von Schwermetallen im belebtem Schlamm

(Versuchsabschnitte 1 - 4)

Abb. 2 bis Abb. 8 zeigen die Gehalte der Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kup-

fer, Nickel, Quecksilber und Zink im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der

Membrananlagen der Firmen Wabag und Zenon. In allen Fällen wurden die Höchstwer-

te der Klärschlammverordnung für Klärschlamm unterschritten. Mit Ausnahme von Ni-

ckel und Quecksilber lagen die Mittelwerte der Membrananlagen ca. 20 - 50 % über

denen der Vergleichsanlage. Ähnlich wie bei den AOX fand im Laufe des halben Jahres

eine Annäherung an die Werte der Vergleichsanlage statt, so daß auch hier die hohen

Anfangswerte mit großer Wahrscheinlichkeit durch den Hattenweiler Schlamm verur-

sacht wurden. Die Membrananlagenmittelwerte für Quecksilber und Nickel lagen jedoch

unter denen der Vergleichsanlage. Im Falle von Nickel liegen die Werte der Membran-

anlagen mit 35 - 57 mg/kg TS in der Größenordnung, wie sie von den Klärschlamm-

untersuchungen (Tab. 2) für die Anlage Immenstaad zu erwarten sind. Die Werte der

Vergleichsanlage liegen jedoch deutlich darüber, wobei auch hier eine abfallende Ten-

denz zu beobachten ist. Die Ursache für die für Immenstaad ungewöhnlich hohen Wer-

te könnten beispielsweise Umbaumaßnahmen zwischen Vorklärung und Ablauf sein.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 5 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Blei

53

3129

33

2830

53

66

35 35

45 46

40

30

0

10

20

30

40

50

60

70

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen

(Höchstwert AbfKlärV 900 mg/kg TS)

Abb. 2 Bleigehalte im belebtem Schlamm (1997)1

Mittelwert MembrananlagenMittelwert Vergleichsanlage

Cadmium

1,21,1 1,1

1,7

0,9

1,1

2

2,5

1,21,3

1,7 1,7

1,31,2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV10 (5) mg/kg TS)

Abb. 3 Cadmiumgehalte im belebtem Schlamm (1997)1

Chrom

25 26 27

20 21

50

63

28 28

37

31

19

0

10

20

30

40

50

60

70

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV 900 mg/kg TS)

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen

32 32

Abb. 4 Chromgehalte im belebtem Schlamm (1997)1

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 6 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Mittelwert MembrananlagenMittelwert Vergleichsanlage

Kupfer

190 194

166

207

167

194

310

372

206

240

290

355

304

178

0

50

100

150

200

250

300

350

400

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV 800 mg/kg TS)

Abb. 5 Kupfergehalte im belebtem Schlamm (1997)1

.

Nickel132

116111

74 74

5751

5749

4235

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV 200 mg/kg TS)

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen

96

41 40

Abb. 6 Nickelgehalte im belebtem Schlamm (1997)1

Quecksilber

0,7

0,35

1,1

0,85

1,2

0,72

0,5

0,60,67 0,66

0,2 0,17

0,720,68

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV 8 mg/kg TS)

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen Abb. 7 Quecksilbergehalte im belebtem Schlamm (1997)1

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 7 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Zink

770

571 548

774

587 611

1120

969

718 701

1010 1002

1081

736

0

200

400

600

800

1000

1200

10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

(Höchstwert AbfKlärV 2500 ( 2000) mg/kg TS)

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen Abb. 8 Zinkgehalte im belebtem Schlamm (1997)1

Auch im Falle von Quecksilber liegt der Mittelwert der Membrananlagen unter dem der

Vergleichsanlage. Dies könnte durch ein verstärktes Ausblasen von Quecksilber oder

flüchtiger quecksilberorganischer Verbindungen durch die Druckbelüftung hervor-

gerufen worden sein. Für eine Bestätigung dieser Vermutung bedarf es jedoch weiterer

Untersuchungen, die nicht im Rahmen dieses Projektes durchgeführt werden konnten.

2.3 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem Schlamm

(Versuchsabschnitte 1 - 4)

Abb. 9 zeigt die Gehalte der sechs in der Klärschlammverordnung zur Untersuchung

vorgeschriebenen PCB-Kongenere im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und

der Membrananlagen. In allen Fällen wurden die Höchstwerte der Klärschlammver-

ordnung für Klärschlamm von 200 µg/kg TS je Kongener deutlich unterschritten. Die

Einzelwerte liegen mit < 5 - 23 µg/kg TS insgesamt relativ niedrig und entsprechen de-

nen, wie sie von der Klärschlammuntersuchung für Immenstaad zu erwarten sind (Tab.

3). In dieser Versuchsphase ist weder eine Anreicherung noch ein verbesserter Abbau

der PCB im belebtem Schlamm der Membrananlagen feststellbar.

Tab. 3 PCB-Gehalt im Klärschlamm der Kläranlage Immenstaad 15.04.19972

PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe

Klärschlamm Immenstaad 5 5 10 24 29 16 89

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 8 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Ver

gl. 1

0.07

.97

Zen

on 1

0.07

.97

Ver

gl.1

4.08

.97

Wab

ag 1

4.08

.97

Ver

gl. 2

7.10

.97

Zen

on 2

7.10

.97

Ver

gl. 2

7.11

.97

Wab

ag 2

7.11

.97

Zen

on 2

7.11

.97

PC

B 2

8

PC

B 5

2

PC

B 1

01

PC

B 1

38P

CB

153

PC

B 1

80S

umm

e

0

10

20

30

40

50

60

70

80

µg/k

g T

S

PCB (Höchstwert AbfKlärV 200 µg/kg TS je Kongener)

Abb. 9 Gehalt von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem Schlamm (1997)1

2.4 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6)

Abb. 10 zeigt den Gehalt der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen im

belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der Firmen Wabag

und Zenon. Der Höchstwert von 500 mg/kg TS für Klärschlamm gemäß AbfKlärV war

stets unterschritten. Die Werte der Vergleichsanlage lagen mit 117 -130 mg/kg TS unter

denen der Zenon-Anlage mit 144 - 149 mg/kg TS und denen der Wabag-Anlage mit

213 - 242 mg/kg TS. Im Gegensatz zu den Versuchsabschnitten 1 - 4 waren die AOX-

Gehalte in den Versuchsabschnitten 5, 6 konstant und ein Einfluß der AOX-Gehalte

des ursprünglich aus Hattenweiler stammenden Schlammes kann ausgeschlossen

werden. Der deutliche Unterschied zwischen der Anlage Wabag und Zenon könnte ver-

fahrenstechnisch begründet sein, ein Nachweis dieser Vermutung konnte im Rahmen

dieser Untersuchungen jedoch nicht erbracht werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 9 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

.

AOX im Schlamm

130117

129

213

242232

144 149 144

0

50

100

150

200

250

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen

Abb. 10 Gehalt adsorbierbarer organischer Halogenverbindungen (AOX) im be-lebtem Schlamm (1998)

2.5 Gehalt der Schwermetalle im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6)

Abb. 11 - Abb. 17 zeigen den Gehalt der sieben Schwermetalle gemäß Klärschlamm-

verordnung im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der

Firmen Wabag und Zenon. Die Höchstwerte der Klärschlammverordnung für Klär-

schlamm waren stets deutlich unterschritten. Mit Ausnahme von Chrom lagen die Mit-

telwerte beider Membrananlagen auf ähnlichen Niveaus mit ca. 4 % (Nickel) bis 47 %

(Cadmium) über den Werten der Vergleichsanlage. Die Chromgehalte lagen jedoch

durchschnittlich 163 % (Zenon) und 287 % (Wabag) über den Werten der Vergleichs-

anlage (100 %). Hinsichtlich des Grenzwertes der Klärschlammverordnung von

900 mg/kg TS Chrom im Klärschlamm liegen die absoluten Werte der Anlagen in Im-

menstaad mit durchschnittlich 45 mg/kg TS (Zenon), 79 mg/kg TS (Wabag) und

27 mg/kg TS (Vergleichsanlage) insgesamt niedrig.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 10 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

.Blei

30

33

40

35

41

51

33

4851

0

10

20

30

40

50

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 11 Bleigehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

Cadmium

1,2

1,0

1,5

2

1,6

1,8

2,5

1,7

1,4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 12 Cadmiumgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

.Chrom

2427

32

70

88

80

4447

44

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 13 Chromgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 11 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Kupfer

215

195

215

235

256

286

229245

289

0

50

100

150

200

250

300

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 14 Kupfergehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

.Nickel

21 2120

21

24

22

20

22

20

0

5

10

15

20

25

30

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 15 Nickelgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

.

Quecksilber

0,5

< 0,65 < 0,6

0,73

0,820,86

0,63

0,73

0,66

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 16 Quecksilbergehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 12 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

.Zink

673

542

729

784754

798

881

820

904

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 17 Zinkgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

Im Gegensatz zu der Versuchsabschnitten 1 - 4 waren die Schwermetall-Gehalte in

den Versuchsabschnitten 5, 6 annähernd konstant. Insgesamt war hinsichtlich der

Höchstwerte der Klärschlammverordnung für Klärschlamm nur eine geringfügige Anrei-

cherung von Schwermetallen im belebtem Schlamm festzustellen.

2.6 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem Schlamm

(Versuchsabschnitte 5, 6)

Abb. 18 zeigt die Gehalte der sechs in der Klärschlammverordnung zur Untersuchung

vorgeschriebenen PCB-Kongenere im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und

der Membrananlagen der Firmen Wabag und Zenon. Die Höchstwerte der Klär-

schlammverordnung von 200 µg/kg TS je Kongener wurden stets deutlich unter-

schritten. Die Einzelwerte liegen mit < 5 - 18 µg/kg TS verhältnismäßig niedrig. Es ist

damit auch in den Versuchsabschnitten 5, 6 weder eine Anreicherung noch ein verbes-

serter Abbau der polychlorierten Biphenyle im belebtem Schlamm der Membrananla-

gen feststellbar.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 13 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Ve

rgl.

02.0

3.98

Zen

on

02.

03.1

998

Ve

rgl.

01.0

4.19

98

Zen

on

01.

04.1

998

Ve

rgl.

07.0

5.19

98

Wa

ba

g 0

7.05

.199

8

Zen

on

07.

05.1

998

PC

B 28

PC

B 52

PC

B 10

1

PC

B 13

8

PC

B 15

3

PC

B 18

0

Sum

me

0

10

20

30

40

50

60

70

80

µg/k

g T

S

PCB (Höchstwert 200 µg/kg TS je Kongener)

Abb. 18 Gehalte von polychlorierten Biphenylen im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)

2.7 Gehalt von AOX im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6)

Abb. 19 zeigt den Gehalt der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen im

Ablauf der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der Firmen Wabag und Zenon.

Die Werte liegen insgesamt sehr niedrig. Da die Ablaufwerte bei allen drei Anlagen

leicht zunehmen, ist von einer Erhöhung der Zulaufkonzentrationen während des Un-

tersuchungszeitraumes auszugehen. Die Membrananlage der Firma Zenon zeigt mit

durchschnittlich 31,3 µg/l eine vergleichbare Ablaufqualität wie die Vergleichsanlage mit

31,0 µg/l. Die Ablaufkonzentrationen der Wabag-Anlage liegen mit durchschnittlich

22,7 µg/l AOX 73 % unter dem Wert der Vergleichsanlage.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 14 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

.

AOX im Ablauf

21

29

43

16

22

30

26

29

39

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

µg/l

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 19 Gehalte von adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen (AOX) im Ablauf (VA 5,6; 1998)

2.8 Gehalt von Schwermetallen im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6)

Mit Ausnahme von Zink lagen die Konzentrationen der untersuchten Schwermetalle im

Ablauf der drei Anlagen stets unter der Bestimmungsgrenze (

Tab. 15, S. 34). Die Ablaufwerte von Zink liegen bei den Membrananlagen zum Teil

über als auch unter denen der Vergleichsanlage. Die gemessenen Unterschiede der

Zinkgehalte liegen in der Größenordnung der zu erwartenden Tagesschwankungen der

Zulaufkonzentration. Es läßt sich daher keine eindeutige Tendenz zu erhöhten oder

erniedrigten Konzentrationen von Schwermetallen im Ablauf der Membrananlagen fest-

stellen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 15 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Zink im Ablauf

0,040

0,029 0,0290,032

< 0,025

0,051

0,033

0,046

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/l

Vergleichsanlage Wabag Zenon

< 0,025

Abb. 20 Zinkgehalt im Ablauf (VA 5,6; 1998)

2.9 Untersuchung der Gehalte anorganischer Ionen (Nährstoffe) im belebtem

Schlamm

Bei der Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzte

Böden ist nicht nur der Schadstoffgehalt, sondern auch der Gehalt der als Nährstoffe

wirkenden Stoffe zu beachten. Im Rahmen des Projektes wurden die Gehalte von Kali-

um, Calcium, Magnesium und Phosphor bestimmt. Auch bei diesen Parametern wurde

nur eine geringe Abweichung vom Schlamm der Vergleichsanlage festgestellt, wobei

der Kaliumgehalt in den Membrananlagen leicht erhöht und die Calcium- und Magnesi-

umgehalte des belebten Schlammes erniedrigt waren (s. Abb. 21 - Abb. 24). Zum Ver-

gleich sind in Tab. 4 die Werte des Immenstaader Klärschlamms angegeben.

Tab. 4 Anorganische Nährstoffe im Klärschlamm der Kläranlage Immenstaad 15.04.19972

Phosphat (P2O5) 5,2 % TS

Kaliumoxid (K2O) 0,17 % TS

Calciumoxid (CaO) 16 % TS

Magnesiumoxid (MgO) 0,54 % TS

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 16 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

.

K2O

0,76

0,920,85

0,92 0,91 0,93

1,10

1,20 1,20

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

% T

S

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 21 Kaliumgehalte im belebtem Schlamm angegeben als K2O (VA 5,6; 1998)

.

CaO

5,9

7,9 8,06

5,2

6,0 5,99

4,2

6,0 6,05

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

% T

S

Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 22 Calciumgehalte im belebtem Schlamm angegeben als CaO (VA 5,6;

1998)

.MgO

0,87

1,21 1,22

0,73

0,890,94

0,83

0,930,97

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

% T

S

Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 23 Magnesiumgehalte im belebtem Schlamm angegeben als MgO (VA 5,6;

1998)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 17 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

3 Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substan-

zen

Bei den Schlammuntersuchungen sollte geklärt werden, inwieweit sich anorganische

und organische nicht-membrangängige Substanzen im Schlamm anreichern, die die

biologische Aktivität oder den Betrieb stören. Bei diesen Stoffen kann es sich beispiels-

weise um anorganische Partikel (Sand, Ton) handeln, die von den Membranen zurück-

gehalten werden. Sie können sich im belebtem Schlamm anreichern und senken damit

den Biomassegehalt. Bei organischen Substanzen ist die Bildung schwer abbaubarer

Biopolymere möglich, die als inerte Substanzen ebenfalls den Anteil der Biomasse sen-

ken. Zu befürchten war auch die Anreicherung der bei der Klärschlammentwässerung

als Flockungshilfsmittel eingesetzten Polyelektrolyte.

Die in kommunalen Kläranlagen häufig eingesetzten Flockungshilfsmittel sind langketti-

ge polymere organische Verbindungen mit einem Molekulargewicht von ca. 1 - 10 Milli-

onen Dalton. Es handelt sich dabei häufig um Polyacrylsäurederivate. Diese Polymere

bestehen aus einer langen Kohlenstoffkette mit vielen kurzen Seitenketten. Die Seiten-

ketten tragen die sauren Gruppen der Acrylsäure, an die über eine Ester- oder Amid-

bindung kleine Moleküle wie Cholin verknüpft sind, die eine positive Ladung tragen (Ka-

tionen). Die Wirkung dieser Polyelektrolyte als Flockungshilfsmittel besteht darin, sich

an mehrere einzeln schwebende Belebtschlammflocken oder Einzelorganismen anzu-

lagern und diese zu einem größeren Aggregat zu verknüpfen. Dadurch wird eine deut-

lich höhere Sedimentationsgeschwindigkeit erreicht. Die gute Anlagerungsfähigkeit der

kationischen Polyelektrolyte an den belebten Schlamm liegt darin begründet, daß die

Belebtschlammflocken selbst negative Ladungen auf der Oberfläche tragen.

Für die Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen ins-

besondere in den Versuchsabschnitten 5, 6 wurde zunächst die anorganische Fraktion

überprüft. Der Glühverlust gibt Aufschluß über den anorganischen Anteil eines

Schlamms. Abb. 25 zeigt den Glühverlust des belebten Schlamms der Vergleichs-

anlage und der Membrananlagen. Die Membrananlagen zeigen über den Unter-

suchungszeitraum einen relativ konstanten Wert von ca. 70%. Das heißt, es ist keine

Anreicherung anorganischer Partikel festzustellen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 18 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

.

P2O56,71

6,43 6,376,326,05

5,77

6,486,27 6,23

0

1

2

3

4

5

6

7

8

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/kg

TS

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 24 Phosphorgehalte im belebtem Schlamm angegeben als P2O5 (VA 5,6; 1998)

.Glühverlust

70,0

53,9 55,5

70,167,1 68,370,3

68,0 68,3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

% T

S

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 25 Glühverlust des belebten Schlamms (VA 5,6; 1998)

.

Protein-gehalt

980 924 780

6810

5738

4958

86907809

5301

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

mg

/l

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Abb. 26 Proteingehalte im belebtem Schlamm (nach Lowry) (VA 5,6; 1998)

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 19 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Die Anreicherung schwer abbaubarer hochmolekularer organischer Verbindungen bei

gleichbleibendem organischen Anteil im belebtem Schlamm würde zu einer Abnahme

der Biomasse im Schlamm führen. Als Sonderfall gehören die Polyelektrolyte in diese

Fraktion, da sie zusätzlich die Wirkung als Flockungshilfsmittel zeigen. Bei sehr hohen

Konzentrationen kann dies dazu führen, daß die Viskosität des belebten Schlammes

zunimmt und sich der Schlamm im Extremfall zu einem gelartigen Zustand verfestigt.

Während die Hauptkette dieser Polymere in der Regel nicht leicht abbaubar ist, werden

die Seitenketten relativ schnell abgebaut. Der daraus resultierende Wechsel der La-

dung der Polyelektrolyte führt dazu, daß die Wirkung als Flockungshilfsmittel weitge-

hendst verloren geht. In einem Belebungsbecken ist daher bei geringer Zufuhr von Flo-

ckungshilfsmitteln über einen längeren Zeitraum nicht mit Auswirkungen auf den beleb-

ten Schlamm zu rechnen. Dennoch wurde versucht, den Polyelektrolytgehalt zu

bestimmen, jedoch gibt es keine Methode zur Einzelstoffanalytik von Polyelektrolyten

im belebtem Schlamm. Es ist zwar möglich, Polyelektrolyte im Wasser nachzuweisen,

eine Quantifizierung im belebtem Schlamm ist aufgrund der schwierigen Abtrennung

vom belebten Schlamm nicht gelungen.

Wenn die Polyelektrolyte auch nicht als Einzelstoffe bestimmbar waren, so gehören sie

dennoch zur Gruppe der nicht-membrangängigen organischen Substanzen und werden

in dieser Fraktion miterfaßt. Als indirekte Methode zur Bestimmung der schwer abbau-

baren und damit anreicherbaren organischen Substanzen wurde der Biomasseanteil in

Form des Phosphorgehaltes (Abb. 24) und des Proteingehalts (Abb. 26) untersucht.

Wie bereits in Abschnitt 2.9 diskutiert wurde, hat sich der Phosphorgehalt im belebtem

Schlamm der Membrananlagen kaum verändert. Der Proteingehalt der Membrananla-

gen nimmt zwar im Untersuchungszeitraum ab, jedoch ebenso der Proteingehalt der

Vergleichsanlage, wobei die Verhältnisse zueinander annähernd konstant sind. Es

konnte daher keine Abnahme der Biomasse und damit auch keine Anreicherung nicht

abbaubarer organischer Substanzen festgestellt werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 20 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

4 Untersuchungen zum Abbau umweltrelevanter organischer Sub-

stanzen

Während der Versuchsabschnitte 5, 6 sollte das Abbauverhalten der Membrananlagen

bei erhöhtem Schlammalter untersucht werden. Es wurden dazu vier Substanzen bzw.

Substanzklassen ausgewählt: EDTA, anionische Tenside, Arzneimittel und endokrin

wirksame Substanzen. Neben der Einzelstoffanalytik wurden für eine Beurteilung des

Abbauverhaltens zusätzlich auch Tests auf endokrine Wirkung durchgeführt.

4.1 EDTA und anionische Tenside

In den Vorversuchen der Versuchsabschnitte 1-4 lag die EDTA-Konzentration im Ablauf

der Vergleichsanlage unter der Bestimmungsgrenze von 20 µg/l, so daß auf weitere

Bestimmungen verzichtet wurde. Anionische Tenside, die im Abwasser den mengen-

mäßig größten Anteil des Gesamttensidgehalts darstellen, werden als Gruppen-

parameter „methylenblauaktive Substanzen“ bestimmt. Sowohl bei der Vergleichs-

anlage als auch bei den Membrananlagen lagen die Ablaufwerte stets unter der Be-

stimmungsgrenze von 200 µg/l (Tab. 18, S. 37). Zum Vergleich, die predicted no effect

concentration (PNEC), das heißt die Konzentration, bei der keine Wirkung in der Um-

welt vorhersehbar ist, liegt für die linearen Alkylsulfonate (LAS), der mengenmäßig be-

deutendsten Gruppe der Aniontenside, in Oberflächengewässern in der Größen-

ordnung von 100 - 250 µg/l.

4.2 Arzneimittel und Stickstoffverbindungen

In den vergangenen Jahren sind vermehrt Arzneimittel im Ablauf von Kläranlagen un-

tersucht und im ng/l - µg/l Bereich nachgewiesen worden. Dies gab Anlaß dazu, diese

Substanzgruppe als Modellsubstanzen für das Abbauverhalten der Membrananlagen

zu wählen. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Gruppe von Arzneimitteln, die bei

der basischen Aufarbeitung erfaßt werden, untersucht. Zusätzlich wurden mehrere

stickstofforganische Verbindungen in dem gleichen Analysenverfahren mitbestimmt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 21 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Coffein2.3.98 1.4.98

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Arzneimittel

675

800

448

622

1754

13069 81

489514

192

96

214

505

n.n.0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

ng

/l

Carbamazepin2.3.98 1.4.98

Propyphenazon2.3.98 1.4.98

Primidon2.3.98 1.4.98

n.n. n.n.n.n. n.n.n.n. n.n.n.n.n.n.

Abb. 27 Arzneimittelkonzentrationen im Ablauf (VA 5,6; 1998)

Arzneimittel, die im Ablauf von Kläranlagen vorkommen, zeichnen sich durch schlechte

Abbaubarkeit und verbreitete Anwendung oder Anwendung in hohen Tagesdosen aus.

Die nachgewiesenen Arzneimittelrückstände stammen aus unterschiedlichen Indikati-

onsgruppen:

• Analgetika (Propyphenazon)

• Antiepileptika (Primidon, Carbamazepin)

• Antitussiva (Dihydrocodein, Hydrocodon)

• Vasodilatatoren (Pentoxyphollin)

Abb. 27 zeigt die Konzentrationen von Coffein, Carbamazepin, Propyphenazon und

Primidon im Ablauf der Vergleichsanlage und der Membrananlagen. Wie gut erkennbar

ist, wurde die Ablaufkonzentration des generell gut abbaubaren Coffeins in den Memb-

rananlagen auf ca. 10 - 30 % des Wertes der Vergleichsanlage gesenkt. Von Carba-

mazepin wurde in den Membrananlagen mit ca. 85 % nur eine geringfügig niedrigere

Konzentration als in der Vergleichsanlage gefunden. Auch bei den anderen Arzneimit-

teln und stickstofforganischen Verbindungen (Abb. 28) findet man eine Verringerung

der Ablaufwerte der Membrananlagen auf ca. 5 % - 95 % des Wertes der Vergleichsan-

lage. Insbesondere bei den Arzneimitteln (siehe Tab. 19, S. 37) waren die Rückstände

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häufig nur in der Vergleichsanlage nachweisbar. Die Gehalte im Ablauf der Membran-

anlagen waren in diesen Fällen unter die Bestimmungsgrenze gesunken.

Arzneimittelkonzentrationen im ng/l Bereich gelten im allgemeinen nicht als humantoxi-

kologisch bedenklich. Es liegen jedoch kaum ökotoxikologische Daten von diesen Sub-

stanzen vor, so daß die Auswirkungen von Arzneimitteln auf den Vorfluter noch nicht

einschätzbar sind. Hinsichtlich einer möglichen Trinkwasserrelevanz sollten die Kon-

zentrationen im Ablauf von Kläranlagen möglichst gering sein.

Während niedrigere Konzentrationen der im Abschnitt 4.2 untersuchten Substanzen im

Ablauf der Membrananlagen eindeutig nachgewiesen werden konnten, lassen sich

durch die stark wechselnden Zulaufkonzentrationen keine eindeutigen Aussagen hin-

sichtlich eines verbesserten Abbauverhaltens bei höherem Schlammalter machen.

Aufgrund der sehr aufwendigen Analytik, die für Bestimmungen im ng/kg TS Bereich im

Schlamm notwendig ist, konnte im Rahmen dieses Projektes nicht überprüft werden, ob

die Ablaufwerte der Arzneimittel wie vermutet durch verbesserten Abbau der Memb-

rananlagen oder durch Adsorption an den belebten Schlamm gesenkt werden.

.Stickstoffverbindungen

178

462

28

182

320

530

1126 36

8 20 2952

n.n.

26 17 1027

95

182

0

100

200

300

400

500

600

Benzothiazol2.3.98 1.4.98

ng

/l

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Diethyltoluolamid

n.n. n.n. n.n. n.n.

1.4.982.3.98 1.4.982.3.98 1.4.982.3.98Methylbenzothiazol Crotamiton

Abb. 28 Konzentrationen von Stickstoffverbindungen im Ablauf (VA 5,6; 1998)

4.3 Endokrin wirksame Substanzen

Unter endokriner Wirkung versteht man die hormonartige Wirkung von Substanzen. Die

durch endokrin wirksame Substanzen bewirkten Veränderungen können vielfältiger

Natur sein. Häufig beeinflussen diese Substanzen die Geschlechtsentwicklung von

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 23 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Larven und Jungtieren. Die Folgen für die Biosphäre können eine Verschiebung des

Geschlechterverhältnisses oder das gehäufte Auftreten von Zwittern sein. Der Auslöser

für Untersuchungen auf endokrine Wirkung im Abwasser waren 1985 Berichte über

zwittrige Fische in den Vorflutern englischer Kläranlagen. Es sind zahlreiche Stoffklas-

sen, bei denen eine hormonartige Wirkung nachgewiesen wurde, bekannt:

• Hormone: natürliche: Estradiol, Estron künstliche: Ethinylestradiol, Mestranol

• Phytoestrogene (pflanzliche Hormone): β-Sitosterol, Luteolin

• Xenoestrogene (vom Menschen in die Umwelt eingebracht): - chlorierte Verbindungen wie PCB, Dioxine, PCP - Pestizide wie DDT und dessen Abbauprodukte - Tributylzinn - Phthalate - Alkylphenole - Bisphenol A, usw.

• Xenoandrogene: - Tributylzinn

In der Versuchsphase 5, 6 wurden die Ablaufkonzentrationen der natürlichen und

künstlichen Hormone Estradiol, Estron, Ethinylestradiol und Mestranol im Ablauf der

Vergleichsanlage und der Membrananlagen untersucht (

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 24 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Tab. 20, S. 38). Die den Abläufen ermittelten Hormonkonzentrationen liegen im Bereich

< 2 ng/l - 16 ng/l. Außerdem wurden die Xenoestrogene Bisphenol A, Benzylbutyl-

phthalat (BBP) und Di-n-butylphthalat (DBP) bestimmt. Im Ablauf der Membrananlagen

waren auch bei dieser Substanzgruppen deutlich niedrigere Gehalte als in der Ver-

gleichsanlage meßbar. Bei den Xenoestrogenen ist die verbesserte Ablaufqualität der

Membrananlagen besonders deutlich zu erkennen (Abb. 29). Ein im Laufe der Ver-

suchsabschnitte 5,6 verbesserter Abbau der Xenoöstrogene, den man sich durch Er-

höhung des Schlammalters erhofft hatte, konnte nicht eindeutig festgestellt werden.

.

Bisphenol A2.3.98 1.4.98

Vergleichsanlage Wabag Zenon

Xenoestrogene

653598

507

73 52 83

618

1671

801

2916 20 71 16 26

n.a.39

154

13 10 19 19

15670

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

ng

/l

7.5.98Benzylbutylphtalat

2.3.98 1.4.98 7.5.98Di-n-butylphtalat

2.3.98 1.4.98 7.5.98

Abb. 29 Konzentrationen von Xenoestrogenen im Ablauf (VA 5,6; 1998)

4.4 Tests auf endokrine Wirkung

Bei den Hormonen liegen die lowest observable effective concentrations (LOEC), das

heißt die niedrigsten wirksamen Konzentrationen, hinsichtlich endokriner Wirkungen im

Bereich von 0,1 - 1 ng/l. Bei diesen Konzentrationen beginnen auch männliche Forellen

das Eidotterprotein Vitellogenin als Kennzeichen einer „Verweiblichung“ zu bilden. Im

Vergleich hierzu wird mit Xenoestrogenen häufig erst bei deutlich höheren Konzentrati-

onen die gleiche Wirkung erzielt. Man kann bei bekannter Wirkung durch Bestimmung

der Konzentrationen der Einzelstoffe auf eine endokrine Wirkung des Abwassers

schließen. Demnach liegen die Konzentrationen der endokrin wirksamen Substanzen

insbesondere der Vergleichsanlage in einem Bereich, bei dem eine hormonartige Wir-

kung zu erwarten ist. Da Gemische aber durchaus eine abweichende Wirkung von der

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 25 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Summe der Einzelstoffwirkungen zeigen können, hat ein direkter Test der endokrinen

Wirkung eine größere Aussagekraft.

Die Abläufe der Vergleichsanlage und der Membrananlagen wurde daher in Kooperati-

on mit Dr. Körner, Universität Tübingen, und Dr. Kloas, Universität Karlsruhe, auf estro-

genartige Gesamtaktivität getestet. Dr. Körner verwendet den sogenannten „E-Screen-

Assay“. In diesem wird die Vermehrung (Proliferation) von humanen estrogenrezeptor-

positiven Brustkrebszellen gemessen, deren Wachstum durch Bindung von Substanzen

an den Estrogenrezeptor stimuliert wird. Dr. Kloas testet die estrogenartige Wirkung an

Leberzellen des Krallenfrosches in zwei verschiedenen Testsystemen. Zum einen wird

die Bindung von hormonartigen Substanzen an den Estrogenrezeptor durch einen Ra-

diorezeptorassay gemessen. In einem zweiten Test wird die Bildung des Estrogenre-

zeptors als zugehörige m-RNA mittels der PCR-Methode nachgewiesen. Die Ergebnis-

se der beiden Tests sind in Tab. 5 dargestellt.

Tab. 5 Estrogenartige Aktivität der Kläranlagenabläufe angegeben in Estradi-ol(E2)-Äquivalenten

ng/l E2 Vergleichsanlage 14.1.1998

Wabag 14.1.1998

Vergleichsanlage 1.4.1998

Wabag 1.4.1998

Zenon 1.4.1998

E-Screen 22,2 ng/l 4,3 ng/l 24,5 ng/l 4,1 ng/l 5,7 ng/l

1. Radio-rezeptorassay 2. PCR der ER-mRNA

1900 ng/l (7,1 nmol/l)

ca. 1 µM

190 ng/l (0,7 nmol/l)

10 nM

710 ng/l (2,6 nmol/l)

100 nM

Eindeutig ist zu erkennen, daß bei allen Anlagen eine estrogenartige Wirkung meßbar

ist. Die Wirkung des von den Membrananlagen gelieferten Abwassers ist stets deutlich

niedriger als bei der Vergleichsanlage. Die großen Unterschiede in den Absolutwerten

der Testergebnisse der verschieden Verfahren scheinen auf den ersten Blick überra-

schend. Dies liegt jedoch in der unterschiedlichen Empfindlichkeit der verschiedenen

Tests auf die Referenzsubstanz 17β-Estradiol begründet. Beim E-Screen wird die Bin-

dung an einen Rezeptor gemessen, wobei das Estradiol sehr empfindlich nachgewie-

sen wird. Die Tests mit den Leberzellen zum Nachweis der m-RNA-Bildung kommen

einem lebenden System einen Schritt näher. Das Estradiol wird in den Zellen sehr

schnell abgebaut, so daß es nur mit geringer Empfindlichkeit bestimmt wird. Xe-

noestrogene hingegen werden nicht so schnell von den Leberzellen abgebaut und wer-

den daher mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 26 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Die Kombination von niedrigen Werten im E-Screen und hohen Werten im Estrogen-

rezeptornachweis in Leberzellen läßt daher schließen, daß die im Abwasser der Im-

menstaader Anlagen gemessene estrogenartige Aktivität weniger von den natürlichen

Hormonen als durch künstliche Hormone bzw. Xenoestrogene hervorgerufen wurde.

Eine höhere Aussagekraft hinsichtlich einer estrogenartigen Wirkung in der Umwelt ha-

ben Tests mit Lebewesen. Dr. Kloas hat die Geschlechtsdifferenzierung am Krallen-

frosch untersucht. Hierzu wurden die Kaulquappen bei verschiedenen Konzentrationen

endokrin wirksamer Substanzen aufgezogen und das Geschlecht der entwickelten Frö-

sche bestimmt. Diesen Untersuchungen zufolge haben die im Ablauf der Immenstaader

Anlagen gemessenen Estradiol-Äquivalentkonzentrationen eine Wirkung, bei der eine

Überschußentwicklung von 50 - 75 % an weiblichen Fröschen im Vergleich zu nur 40 %

in der unbelasteten Kontrollgruppe zu erwarten ist.

5 Methoden und Daten

5.1 Probenahme

Probenahme wurde von Mitarbeitern der Abteilung Abwassertechnik in Form einer qua-

lifizierten Stichprobe durchgeführt. Die Behälter aus Polyethylen (Schwermetalle, AOX,

EDTA) bzw. Glas wurden von der Abteilung Chemie zur Verfügung gestellt. Die Proben

wurden soweit möglich bereits in Immenstaad gekühlt und in Kühltaschen transportiert.

Die Probenkonservierung erfolgte entsprechend den Analysenverfahren.

5.2 Analysenverfahren

5.2.1 Verwendete DIN-Verfahren

Metalle

TS von Schlämmen

GV von Schlämmen

AOX von Schlämmen

AOX von Flüssigkeiten

MBAS

DIN 38 406 E22 (Hg DIN 38406 E12 Teil 1) Aufschluß mit HNO3 und H2O2

DIN 38 414 S2

DIN 38 414 S3

DIN 38 414 S18

DIN-EN ISO 1485

DIN 38 409 H23

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5.2.2 EDTA-Bestimmung

Die Proben wurden mit einem Faltenfilter filtriert und bis zur Analyse mit 1 ml/l einer

30 %igen Formalinlösung konserviert. EDTA wurde mit einem Überschuß an Ei-

sen(III)ionen umkomplexiert und der Fe-EDTA-Komplex mittels HPLC quantitativ nach-

gewiesen.

5.2.3 Bestimmung des Gesamtphosphors

20 - 30 mg Trockensubstanz wurden eingewogen, mit Aufschlußsäure (3 g Natrium-

molybdat · 2 H2O, 25 ml konz. Schwefelsäure und 40 ml 70%ige Perchlorsäure pro

100 ml) versetzt und bei 180°C aufgeschlossen. Nach einem Verdünnungsschritt wur-

den die Proben mit einer Lösung von 0,6 g Natriumacetat und 0,48 g Ascorbinsäure-

lösung angefärbt und bei 750 nm photometrisch bestimmt.

5.2.4 Proteinbestimmung (modifizierte Methode nach Lowry)3

5 ml einer 0,5 M NaOH und 0,5 %igen Natriumdodecylsulfat (SDS) Lösung wurden zu

0,5 ml Originalprobe bzw. zu einer verdünnten Probe pipettiert. Das Gemisch wurde

30 min bei 80°C geschüttelt und nach kurzer Abkühlzeit zentrifugiert. Der Überstand

wurde abdekantiert und der Rückstand erneut mit 5 ml NaOH/SDS-Lösung extrahiert.

Von den vereinten Überständen wurde 1 ml abpipettiert und mit 5 ml einer Lösung von

20 g Natriumcarbonat, 200 mg Natriumtartrat und 200 mg CuSO4 · 2 H2O pro Liter ver-

setzt. Nach 10 min Reaktionszeit wurde 0,5 ml Folin-Cialteus-Phenolreagenz (1:1 ver-

dünnt in Wasser) zugegeben. Nach 45 min wurde der Proteingehalt bei 720 nm photo-

metrisch bestimmt.

5.2.5 Bestimmung der nicht-abbaubaren, nicht-membrangängigen Substanzen

Je 1 g getrockneter Schlamm wurde mit 50 ml 6 N Schwefelsäure 8 Stunden unter

Rückfluß gekocht. Nach Einstellen auf pH 7,5 (NaOH) wurde durch einen Membranfilter

filtriert und mit 50 ml Wasser nachgespült. Der Rückstand wurde anschließend getrock-

net.

3 Die Proteinbestimmung wurde von der Abteilung Biologie durchgeführt.

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5.2.6 Bestimmung der Arzneimittel

Nach Filtration der je 4 x 1 Liter Probe über einen Glasfilter wurde der pH-Wert mit KOH

auf pH 12 eingestellt und mit Arzneimittelstandards aufgestockt. Um das Ausfällen von

Carbonaten zu verhindern, wurden die Proben zuvor mit EDTA versetzt. Nach Fest-

phasenextraktion auf C18-Kartuschen und Einengen der Eluate im Stickstoffstrom wur-

den die Arzneimittel mit GC-MS bestimmt.

5.2.7 Bestimmung der endokrin wirksamen Substanzen

4 x 1 Liter Probe wurden nach Filtration über einen 45 µm Glasfilter mit Schwefelsäure

auf pH 2 eingestellt, mit internem Standard versetzt und mit Standards aufgestockt.

Nach Festphasenextraktion auf C18-Kartuschen und Elution mit Ethylacetat, Einengen

der Eluate in der Vakuumzentrifuge und anschließender Derivatisierung durch Silylie-

rung erfolgte die Bestimmung mit GC-MS.

5.3 Analysenergebnisse in Tabellenform

5.3.1 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 1 - 4

Tab. 6 Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) im belebtem Schlamm (1997)

AOX (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 117 119 105 186 114 154

Wabag 393 363 195 196

Zenon 391 271 216 157

AOX (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 132,5 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

70 mg/kg TS

Wabag 286,8 216% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

110 mg/kg TS

Zenon 258,8 195% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

170 mg/kg TS

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Tab. 7 Schwermetalle im belebtem Schlamm (1997)

Blei

Pb (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 53 31 29 33 28 30

Wabag 53 66 35 35

Zenon 45 46 40 30

Pb (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 34,0 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

32 mg/kg TS

Wabag 47,3 139% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

44 mg/kg TS

Zenon 40,3 118% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

65 mg/kg TS

Cadmium

Cd (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 1,2 1,1 1,1 1,7 0,9 1,1

Wabag 2 2,5 1,2 1,3

Zenon 1,7 1,7 1,3 1,2

Cd (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 1,2 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

0,7 mg/kg TS

Wabag 1,8 148% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

1,1 mg/kg TS

Zenon 1,5 125% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

1,8 mg/kg TS

Chrom

Cr (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 32 25 26 27 20 21

Wabag 50 63 28 28

Zenon 32 37 31 19

Cr (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 25,2 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

32 mg/kg TS

Wabag 42,3 168% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

34 mg/kg TS

Zenon 29,8 118% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

36 mg/kg TS

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Kupfer

Cu (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 190 194 166 207 167 194

Wabag 310 372 206 240

Zenon 290 355 304 178

Cu (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 186,3 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

204 mg/kg TS

Wabag 282,0 151% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

288 mg/kg TS

Zenon 281,8 151% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

255 mg/kg TS

Nickel

Ni (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 132 116 111 96 74 74

Wabag 57 51 57 49

Zenon 41 42 35 40

Ni (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 100,5 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

24 mg/kg TS

Wabag 53,5 53% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

23 mg/kg TS

Zenon 39,5 39% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

25 mg/kg TS

Quecksilber

Hg (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 0,7 0,35 1,1 0,85 1,2 0,72

Wabag 0,5 0,6 0,67 0,66

Zenon 0,2 0,17 0,72 0,68

Hg (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 0,82 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

0,3 mg/kg TS

Wabag 0,61 74% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

1,1 mg/kg TS

Zenon 0,44 54% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

0,31mg/kg TS

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 31 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Zink

Zn (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997

Vergleichsanlage 770 571 548 774 587 611

Wabag 1120 969 718 701

Zenon 1010 1002 1081 736

Zn (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 643,5 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997

533 mg/kg TS

Wabag 877,0 136% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998

800 mg/kg TS

Zenon 957,3 149% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997

1107 mg/kg TS

Tab. 8 Polychlorierte Biphenyle (PCB) im belebtem Schlamm (1997)4

PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe

Vergleichsanlage 10.07.97 < 5 < 5 8 15 15 10 48

Zenon 10.07.1997 < 5 5 10 20 20 16 66

Vergleichsanlage 14.08.97 < 5 < 5 6 14 15 13 48

Wabag 14.08.1997 < 5 10 14 23 23 13 73

Vergleichsanlage 27.10.97 < 5 < 7 10 15 14 9 48

Zenon 27.10.1997 < 5 < 5 5 13 11 9 38

Vergleichsanlage 27.11.97 < 5 < 5 5 11 8 11 35

Wabag 27.11.1997 < 5 < 5 6 12 10 9 37

Zenon 27.11.1997 < 5 < 5 8 16 15 10 49

Tab. 9 PCB-Gehalt im Klärschlamm der Kläranlage Immenstaad 15.04.19972

PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe

Klärschlamm Immenstaad 5 5 10 24 29 16 89

4 Die Analysen wurden vom Institut Dr. Jäger, Tübingen durchgeführt.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 32 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Tab. 10 Voruntersuchungen im Ablauf der Vergleichsanlage

Nachgewiesene Arzneimittel Carbamazepin Diclofenac Clofibrinsäure

Endokrin wirksame Substanzen Estron Estradiol Mestranol Ethinylestradiol Dibutylphtalat (DBP) Benzylbutylphtalat (BBP) Bisphenol A

3,5 ng/l 2 ng/l

n.n. < 2 ng/l 163 ng/l

27 ng/l 56 ng/l

Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) n.n. (< 20 µg/l)

5.3.2 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 5, 6

Tab. 11 Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) im belebtem Schlamm (VA 5, 6; 1998)

AOX (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 130 117 129 125,3 100%

Wabag 213 242 232 229,0 183%

Zenon 144 149 144 145,7 116%

Tab. 12 Schwermetalle im belebtem Schlamm (VA 5, 6; 1998)

Blei

Pb (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 30 33 40 34,3 100%

Wabag 35 41 51 42,3 123%

Zenon 33 48 51 44,0 128%

Cadmium

Cd (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 1,2 1,0 1,5 1,3 100%

Wabag 2 1,6 1,8 1,8 144%

Zenon 2,5 1,7 1,4 1,9 149%

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 33 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Chrom

Cr (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 24 27 32 27,7 100%

Wabag 70 88 80 79,3 287%

Zenon 44 47 44 45,0 163%

Kupfer

Cu (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 215 195 215 208,3 100%

Wabag 235 256 286 259,0 124%

Zenon 229 245 289 254,3 122%

Nickel

Ni (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 21 21 20 20,7 100%

Wabag 21 24 22 22,3 108%

Zenon 20 22 20 20,7 100%

Quecksilber

Hg (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 0,5 <0,65 <0,6 n.a. n.a.

Wabag 0,73 0,82 0,86 0,8 n.a.

Zenon 0,63 0,73 0,66 0,7 n.a.

Zink

Zn (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 673 542 729 648,0 100%

Wabag 784 754 798 778,7 120%

Zenon 881 820 904 868,3 134%

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 34 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Tab. 13 Polychlorierte Biphenyle (PCB) im belebtem Schlamm (VA 5, 6; 1998)

PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe

Vergleichsanlage 02.03.98 <5 <5 5 18 15 13 51

Zenon 02.03.1998 <5 <5 7 18 14 11 50

Vergleichsanlage 01.04.98 <5 7 8 11 10 10 46

Zenon 01.04.1998 <5 <5 7 14 13 9 43

Vergleichsanlage 07.05.98 <5 <5 8 18 15 15 56

Wabag 07.05.1998 <5 <5 6 12 12 7 37

Zenon 07.05.1998 <5 <5 <5 7 7 4 18

Tab. 14 Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) im Ablauf

AOX (µg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 21 29 43 31,0 100%

Wabag 16 22 30 22,7 73%

Zenon 26 29 39 31,3 101%

Tab. 15 Schwermetalle im Ablauf

Blei

Pb (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage <0,050 <0,050 <0,050

Wabag <0,050 <0,050 <0,050

Zenon <0,050 <0,050 <0,050

Cadmium

CD (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage <0,025 <0,025 <0,025

Wabag <0,025 <0,025 <0,025

Zenon <0,025 <0,025 <0,025

Chrom

Cr (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage <0,020 <0,020 <0,020

Wabag <0,020 <0,020 <0,020

Zenon <0,020 <0,020 <0,020

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 35 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

Kupfer

Cu (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage <0,020 <0,020 <0,020

Wabag <0,020 <0,020 <0,020

Zenon <0,020 <0,020 <0,020

Nickel

Ni (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage <0,030 <0,030 <0,030

Wabag <0,030 <0,030 <0,030

Zenon <0,030 <0,030 <0,030

Quecksilber

Hg (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage <0,00025 <0,00025 <0,00025

Wabag <0,00025 <0,00025 <0,00025

Zenon <0,00025 <0,00025 <0,00025

Zink

Zn (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998

Vergleichsanlage 0,040 0,029 0,029

Wabag 0,032 <0,025 0,051

Zenon 0,033 <0,025 0,046

Tab. 16 Anorganische Ionen im belebtem Schlamm

Kaliumoxid

K2O (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 0,76 0,92 0,85 0,8 100%

Wabag 0,92 0,91 0,93 0,9 109%

Zenon 1,10 1,20 1,20 1,2 138%

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Calciumoxid

CaO (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 5,9 7,9 8,06 7,3 100%

Wabag 5,2 6,0 5,99 5,7 79%

Zenon 4,2 6,0 6,05 5,4 74%

Magnesiumoxid

MgO (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 0,87 1,21 1,22 1,1 100%

Wabag 0,73 0,89 0,94 0,9 78%

Zenon 0,83 0,93 0,97 0,9 83%

Tab. 17 Untersuchungen zur Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen

Phosphor

P2O5 (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 6,71 6,43 6,37 6,5 100%

Wabag 6,32 6,05 5,77 6,0 93%

Zenon 6,48 6,27 6,23 6,3 97%

Trockensubstanz

(%) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 0,45 0,38 0,40 0,4 100%

Wabag 2,29 1,72 1,78 1,9 471%

Zenon 2,15 2,14 2,12 2,1 521%

Glühverlust

(% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 70,0 53,9 55,5 59,8 100%

Wabag 70,1 67,1 68,3 68,5 115%

Zenon 70,3 68,0 68,3 68,9 115%

Proteingehalt nach Lowry

mg/l 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent

Vergleichsanlage 980 924 780 894,7 100%

Wabag 6810 5738 4958 5835,3 652%

Zenon 8690 7809 5301 7266,7 812%

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Tab. 18 Methylenblauaktive Substanzen im Ablauf

MBAS (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998

Vergleichsanlage <0,2 mg/l <0,2 mg/l

Wabag <0,2 mg/l <0,2 mg/l

Zenon <0,2 mg/l <0,2 mg/l

Tab. 19 Arzneimittel und Stickstoffheterozyclen im Ablauf

(ng/l) Coffein Carbamazepin Propyphenazon Primidon

Vergl. 02.03.1998 675 448 17 130

Wabag 02.03.1998 69 489 n.n. n.n.

Zenon 02.03.1998 192 214 n.n. n.n.

Vergl. 01.04.1998 800 622 54 n.n.

Wabag 01.04.1998 81 514 n.n. n.n.

Zenon 01.04.1998 96 505 n.n. n.n.

(ng/l) Dihydrocodein Hydrocodon Pentoxyfyllin

Vergl. 02.03.1998 420 n.n. 69

Wabag 02.03.1998 293 n.n. n.n.

Zenon 02.03.1998 309 n.n. n.n.

Vergl. 01.04.1998 n.n. n.n. 173

Wabag 01.04.1998 n.n. n.n. n.n.

Zenon 01.04.1998 n.n. n.n. n.n.

(ng/l) Benzothiazol Diethyltoluolamid Methylbenzothiazol Crotamiton

Vergl. 02.03.1998 178 28 320 11

Wabag 02.03.1998 26 8 29 n.n.

Zenon 02.03.1998 26 10 95 n.n.

Vergl. 01.04.1998 462 182 530 n.n.

Wabag 01.04.1998 36 20 52 n.n.

Zenon 01.04.1998 17 27 182 n.n.

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Tab. 20 Endokrin wirksame Substanzen im Ablauf

(ng/l) Estron Estradiol Mestranol Ethynylestradiol

Vergleichsanlage 14.01.1998 n.a. 5,3 <2 4,4

Wabag 14.01.1998 4,8 2,6 n.n. <2

Vergleichsanlage 01.04.1998 16,2 2,2 <2 <2

Wabag 01.04.1998 2 <2 n.n. n.n.

Zenon 01.04.1998 <2 <2 n.n. n.n.

Vergleichsanlage 07.05.1998 n.a. 4,3 2,6 3,8

Wabag 07.05.1998 2,8 2 <2 <2

Zenon 07.05.1998 7,2 <2 2,1 <2

(ng/l) Bisphenol A Benzylbutylphtalat Di-n-butylphtalat

Vergleichsanlage 14.01.1998 653,6 72,8 618

Wabag 14.01.1998 29,3 70,7 n.a.

Vergleichsanlage 01.04.1998 597,7 52 1671

Wabag 01.04.1998 16,1 15,8 39,2

Zenon 01.04.1998 12,8 19,3 155,6

Vergleichsanlage 07.05.1998 507 82,7 800,8

Wabag 07.05.1998 20,4 25,5 154,1

Zenon 07.05.1998 10 18,8 70,4

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6 Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Projektes wurde im Zeitraum von Juli 1997 bis Mai 1998 der belebte

Schlamm und von Januar bis Mai 1998 auch der Ablauf der Membrananlagen der Fir-

men Wabag und Zenon untersucht. Zum Vergleich wurden jeweils auch Proben der

Kläranlage Immenstaad (Vergleichsanlage) genommen.

Es gab drei Schwerpunkte der Untersuchungen, deren Ergebnisse im folgenden zu-

sammengefaßt werden:

• Untersuchungen zur Anreicherung anorganischer und organischer Schad-

stoffe im belebtem Schlamm

In Anlehnung an die Klärschlammverordnung wurde der belebte Schlamm auf die Ge-

halte von adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen (AOX), Schwermetallen

und polychlorierten Biphenylen (PCB) untersucht. Da der aus Hattenweiler stammende

Schlamm der Membrananlagen höher mit AOX und Schwermetallen belastet war als

der Schlamm aus Immenstaad, war im Laufe des Jahres 1997 eine Abnahme der Ge-

halte auf annähernd das Niveau der Vergleichsanlage meßbar. Die 1998 gemessenen

Mengen von AOX und Schwermetallen im belebtem Schlamm der Membrananlagen

waren zwar geringfügig höher als die Gehalte der Vergleichsanlage, lagen aber meist

weit unter den Höchstwerten der Klärschlammverordnung für Klärschlamm. Insgesamt

war der belebte Schlamm in Immenstaad niedrig mit AOX und Schwermetallen be-

lastet. Die PCB-Gehalte waren über den gesamten Untersuchungszeitraum nahezu

konstant niedrig in allen drei Anlagen.

Die Untersuchung der Nährstoffe Phosphat, Kalium, Calcium und Magnesium im beleb-

tem Schlamm der Membrananlagen ergab ebenfalls keine signifikanten Abweichungen

von dem belebten Schlamm der Vergleichsanlage.

• Untersuchungen zur Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen

Im belebtem Schlamm der Membrananlagen wurde die Anreicherung anorganischer

und organischer schwer abbaubarer nicht-membrangängiger Substanzen untersucht.

Insgesamt konnte keine Akkumulation signifikanter Mengen nicht-membrangängiger

Substanzen festgestellt werden.

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Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 40 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2

• Untersuchungen zur Elimination umweltrelevanter Schadstoffe im Ablauf

Zur Untersuchung der Ablaufqualität wurden ausgewählte Arzneimittel, stickstoff-

organische Verbindungen und endokrin wirksame Substanzen im Ablauf quantifiziert.

Außerdem wurden Tests auf endokrine Wirkung durchgeführt.

Die gefundenen Konzentrationen der Vergleichsanlage entsprechen denen einer durch-

schnittlichen kommunalen Kläranlage. Die gefundene hormonartige Wirkung liegt in

einem Bereich, bei dem Auswirkungen auf die Biosphäre zu erwarten sind.

Die Ablaufkonzentrationen der Membrananlagen liegen bei allen untersuchten Sub-

stanzen meist deutlich unter denen der Vergleichsanlage. Die Gehalte der Membran-

anlagen lagen bei ca. 5 - 90 % der Konzentration im Ablauf der Vergleichsanlage. Eine

Veränderung der Eliminationseigenschaften der Membrananlagen bei Erhöhung des

Schlammalters konnte nicht festgestellt werden.

Es konnte im Rahmen dieses Projektes nicht geklärt werden, ob sich die erniedrigten

Ablaufwerte durch Adsorbtion an den belebten Schlamm oder durch verbesserten Ab-

bau in den Membrananlagen ergeben haben. Es wurde ebenfalls nicht geklärt, inwie-

weit die geringeren Konzentrationen der untersuchten Stoffe im Ablauf der Membranan-

lagen durch die niedrigere Schlammbelastung verglichen mit der Vergleichsanlage her-

vorgerufen wurden.