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Membranbiologie
statt Ertüchtigung von Nachklärbecken
Norbert Engelhardt
50 Jahre Oswald Schulze Stiftung
Technische Innovationen bei der Abwasserreinigung 27.09.2018, Münster
Köln
Neuss
Mönchen-
Gladbach
Düren
Bergheim
Bonn
Aachen
Euskirchen
Grevenbroich
GKW Nordkanal
80.000 EW (2004)
KA Titz-Rödingen
3.000 EW (1999)
KA Bergh.-Glessen
9.000 EW (2008)
Membranbelebungsanlagen des Erftverbands
2
Kläranlagen im Vergleich
MBR-Halle 3
Kläranlage Grevenboich
Konventionelle Verfahrenstechnik
Ausbau: 97.000 EW
ohne Flockungsfiltration
anaerobe Schlammbehandlung
drei Nachklärbecken
Klärwerk Nordkanal
Membranbelebungsanlage
Ausbau 80.000 EW
mit Feinsiebung
(noch) ohne Schlammfaulung
4
Anforderungen an die Abwasserreinigung
Aktuelle und „perspektivische“ Anforderungen
Weitgehende Nährstoffelimination
Geringer Energiebedarf
Elimination von Mikroplastik
Elimination von multiresistenten Keimen
Hygienisierung des KA-Ablaufes
Elimination von Spurenstoffen
Kleinräumige Bauweise
Effizienz (Schaffung wirtschaftlicher Kläranlagengrößen)
Limitierende „technische“ Faktoren
Größe der biologischen Stufe (Beckenvolumina)
Sedimentationsverfahren (Vorklärung, Nachklärung)
Flächenverfügbarkeit (für zusätzliche Stufen bzw. Erweiterungen)
Energiebedarf
… … …
5
Prinzip des Sedimentationsverfahrens
Abwasser
Belebtschlamm,
Wasser
Überlauf
Nachklärung
Schlammabzug
AFS im Ablauf NK:
5 – 15 mg/L
Prinzip des Membranverfahrens
Membran
Überströmung
Abwasser,
Belebtschlamm,
Wasser
Filtrat, Permeat
Porengröße der Membran:
• Mikrofiltration: 0,1 – 10 µm
• Ultrafiltration: 0,01 – 0,1 µm
• Nanofiltration: 0,001 – 0,01 µm
AFS im Ablauf MBA: 0 mg/L
Trenngrenzen der Membranverfahren
Moleküle, Salze
Kolloide
Bakterien
Suspendierte Stoffe
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100mm
Umkehrosmose
Ultrafiltration
Mikrofiltration
Partikelfiltration Filtrationsverfahren
Zurückgehaltene Stoffe
Durchmesser in [mm]
0.04
Viren
Nanofiltration
Nominale Porengröße der UF-Membrane 7
Größenvergleich Bakterien ./. Membranporen
Porengröße ca. 0,04 µm
Ultrafiltration
E. Coli ca. 0,5 - 1,5 µm
MS2-Virus
(Coliphage)
ca. 0,025 µm
B. Subtilis ca. 0,3 µm
Membran Membran
9
Konventionelle Verfahrenstechnik
Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter
Membranbelebungsanlage
mit integrierter Membran Feinsieb
Feinsieb separater
Membranfilter
Verfahrenstechnischer Vergleich
konventionelle Kläranlage ./. Membranbelebungsanlage
ggf. ggf.
Membranbelebung
Membran-
belebung
10
Vorteile der Membrantechnologie
Verbesserte technische (Betriebs-)Bedingungen
Verbesserte Beschaffenheit des Kläranlagenablaufs
vollständiger Feststoff- und Mikroplastikrückhalt
geringe CSB- und BSB5- und Pges-Konzentrationen im Ablauf
gute Vorbehandlung für nachgeschaltete Spurenstoffelimination
(Teil-)Hygienisierung (z. B. keine multiresistenten Keime im Ablauf)
keine Betriebsprobleme durch Schaum, Schwimm- oder Blähschlamm
Wegfall von Nachklärbecken und konventioneller Filtration
geringer Platzbedarf
kleine Belebungsbeckenvolumina durch hohe Biomassekonzentrationen
im Belebungsbecken (TSBB: 8 – 12 g/l (bis zu 15 g/l möglich))
vollständiger Rückhalt von PAK (bei „simultaner“ Spurenstoffelimination)
ohne Absetzbecken und/oder Sandfiltration
Beispiel 1:
GKW Nordkanal → Membranbelebungsanlage
Ausbaugröße: 80.000 EW
Filterfläche Membrane 84.000 m² (Hohlfaserkapillare)
Abwassermenge 45.000 m³/d (Mischwasserzufluss)
Volumen Belebung 9.200 m³ (DN - Vario - N)
Bemessung TS Belebung 12 g/L ( derzeit → 8 -10 g/L )
Verfahrensschema (2004)
Kenngrößen:
Denitrifikation/
Variozone
Nitrifikation/
Membranfiltration
Rechen Sand-
Fettfang Siebe
FM
RZ
Permeat
ÜSS
Eindicker MSE
11
Nominale Porengröße 0,04 µm (Ultrafiltration)
Konventioneller Ausbau Ausbau mit Membrantechnik
Flächenvergleich
Membranbelebungsanlage ./. Konventionelle Kläranlage
12
Siebung
Beispiel: Klärwerk Nordkanal (80.000 EW)
13
Konventionelle Verfahrenstechnik
Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter
Verfahrenskonzept Membranbelebungsanlage Nordkanal (alt / neu)l
GKW Nordkanal – Membranbelebungsanlage, 80.000 EW
Verfahrenstechnische Änderung 2018
Feinsieb Membranfilter
Membranfilter Feinsieb
2004
2018
14
Ziel:
Reduzierung der Betriebskosten
Reduzierung Energieverbrauch von
ca. 0,6 kWk/m³ auf 0,45 kWh/m³
Eigenstromerzeugung
Reduzierung Klärschlammanfall
Stand der Bauabwicklung:
Bau im Zeitplan (Fertigstellung Jahresende 2018)
Kosten:
ca. 9,5 Mio €
Förderung durch NRW + BMU
(in Summe ca. 50%)
Membranbelebungsanlage
mit Klärschlammfaulung
und Eigenstromgewinnung
Umbaukonzept
GKW Nordkanal – Membranbelebungsanlage, 80.000 EW
15
Vorklärbecken + Siebung
Gasspeicher
Deammonifikation
Faulbehälter
BHKW-
Gebäude
GKW Nordkanal → Membranbelebungsanlage, 80.000 EW
2018: Ergänzung mit anaerober Schlammstabilisierung und BHKW
Ministerium für Umwelt,
Landwirtschaft, Natur- und
Verbraucherschutz NRW Gefördert durch:
Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz
und nukleare Sicherheit +
16
Beispiel GKW Nordkanal – Kennzahlen Ausbauvarianten
Konventioneller
Ausbau
MBR-Anlage
(2004)
Rechen
Sandfang
Siebung
Vorklärung
Belebung
Nachklärung
Filterfläche
Schlammspeicher
Faulbehälter
Gasbehälter
Umbauter Raum
Flächenbedarf
Versiegelte Fläche
8 mm
24,5 m
-
750 m³
13.600 m³
1.450 m²
130 m²
1.650 m³
3.200 m³
1.045 m³
36.000 m³
35.000 m²
23.000 m²
5 mm
24,5 m
1,5 mm (Masche)
0
9.200 m³
0
84.000 m²
1.725 m³
0
0
24.000 m³
15.000 m²
10.000 m²
670 m³
2.600 m³
1.200 m³
Bauwerke MBR-Anlage
(2018)
17.000 m³
25.500 m³
1.725 m³
84.000 m²
0
9.200 m³
5 mm
24,5 m
1,5 mm (Masche)
17
Beispiel 2:
Kläranlage BM-Glessen (5.000 EW) Lageplan, Bestand 2005
Glessener
Bach
Betriebs-
gebäude
Sandfang
Belebungsbecken
Nachklärung
Schlamm-
speicher
Pumpwerk
Rechen
18
Ausbaukonzept mit konventioneller Verfahrenstechnik (5.000 EW → 9.000 EW)
Rechen Sandfang Belebungsbecken Nachklärung Flockungs-
filter
Ausbau mit Membranbelebungsverfahren (5.000 EW → 9.000 EW)
Feinsieb Membranfilter
Verfahrenstechnischer Vergleich (KA Glessen)
konventioneller Ausbau ./. Membranbelebungsanlage
Verteiler
neu ggf.
19
Kläranlage BM-Glessen, 9.000 EW
Lageplan 2008
GKW Nordkanal, Erftverband 2004
20
Kläranlage BM-Glessen, 9.000 EW
Fläche der alten
Kläranlage (5.000 EW)
Ergänzung um
Membranfiltration
(9.000 EW)
neue Überwachungswerte
30 mg/l
90 mg/l
10 mg/l
2 mg/l
BSB5
CSB
NH4-N
Pges
6 mg/l
30 mg/l
1,5 mg/l
0,6 mg/l
BSB5
CSB
NH4-N
Pges
alte Überwachungswerte
Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen
Parameter Einheit Durchschn.
Wert
Max.
Wert
Nachweismethode
Salmonellen /100 ml < 30 < 30 DIN 38414-13
(MPN-Methode)
Intestinale
Enterokokken /100 ml 1 4 DIN EN ISO 7899-2
E-coli /100 ml 1 6 Colilert -18/Quanti-Tray
Coliforme
Bakt. /100 ml < 50 148 Colilert -18/Quanti-Tray
EG Bade-
gewässer-
richtlinie
200 *
500 *
k.A.
k.A.
Hygienische Qualität des gereinigten Abwassers
* „ausgezeichnete Qualität“
21
Elimination von Mikroplastik in Kläranlagen
Vergleich des Ablaufs unterschiedlicher Kläranlagen/-verfahren
22
Quelle: Abschlussbericht Forschungsprojekt „Mikroplastik“, Hochschule Bremen, 2015
GKW Nordkanal
Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen
Partikelrückhalt in einer Kläranlage
Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf
gelangen in den Ablauf: 1.000 – 3.400 Partikel.
Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen
23
80 – 90%
66 – 90%
nach Talvitie, 2018
Vorreinigung Biologische Stufe
Vorklärung Nachklärung
Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 10 – 34%
Partikelrückhalt in einer Kläranlage
Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf
gelangen in den Ablauf 100 – 1.000 Partikel.
Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen
24
80 – 90%
66 – 90% 90 – 99%
nach Talvitie, 2018
Vorreinigung Biologische Stufe Sand-
Filtration Vorklärung Nachklärung
Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 1 – 10%
Partikelrückhalt in einer Kläranlage
Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf
gelangen in den Ablauf 1 – 10 Partikel.
Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen
25
80 – 90%
nach Talvitie, 2018
Vorreinigung Biologische Stufe
Vorklärung
Membran-
Filtration
99,9 - 99,99%
Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 0,01 – 0,1%
26
Entwicklung der spez. Kosten getauchter Membranen
MBA Rödingen (3.000 EW)
MBA Nordkanal (80.000 EW)
KA Glessen (9.000 EW)
nach Brepols
Reinigungsleistung – Betriebssicherheit - Wirtschaftlichkeit der Membranbelebungsanlagen des Erftverbandes
Energiebedarf: normal
Standzeit der Membranen: wirtschaftlich
Betriebssicherheit: sehr hoch
IST (2018): > 14 Jahre
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IST ( 2016): < 0,60 kWh/m³
seit mehr als 14 Jahren: 100% Verfügbarkeit
seit mehr als 14 Jahren: ständig hohe Reinigungsleistung
frei von Feststoffen bzw. Partikeln
nahezu hygienisiert (keine multiresistenten Keime)
frei von Mikroplastik
Qualität des gereinigten Abwassers: hervorragend
Plan ( 2019): < 0,45 kWh/m³ (mit Vorklärung + Faulung)
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Der spezifische Energieverbrauch der MBA Nordkanal liegt derzeit
unter 0,60 kWh/ m³. Mit der Inbetriebnahmen anaeroben Schlamm-
behandlung wird eine weitere Senkung auf 0,45 kWh/m³ erwartet.
Membranbelebungsanlagen zeigen im langjährigen Dauerbetrieb
durchgängig sehr gute und stabile Betriebsergebnisse.
Der Ablauf von MBA unterschreitet die Grenzwerte der EG-Bade-
gewässerrichtlinie bei weitem. (Teil-Hygienisierung)
Durch Umrüsten konventioneller Kläranlagen zu Membranbelebungs-
anlagen kann die Kapazität der vorhandenen biologischen Stufe mehr
als verdoppelt werden (höherer TSBB, keine Nachklärung erforderlich)
Die Standzeit der Ultrafiltrationsmembrane in der MBA
Nordkanal beträgt mittlerweile mehr als 14 Jahre.
Mit Membranbelebungsanlagen können viele aktuell diskutierten
Problemstoffe in einer Behandlungsstufe eliminiert (Mikroplastik,
multiresistente Bakterien) oder signifikant reduziert werden (z. B.
Phosphor, Spurenstoffe bei PAK-Zugabe).
Fazit und Ausblick
29
Ministerium für Umwelt,
Landwirtschaft Natur- und
Verbraucherschutz NRW
Ein besonderer Dank geht an:
„Membranbelebungsanlagen statt Ertüchtigung von NK-Becken“