Die Bedeutung der Filtrationseigenschaften von belebten Schlämmen beim Betrieb von Membranbioreaktoren

Thiemig, Christoph; Pinnekamp, Johannes

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-35816

Die Bedeutung der Filtrationseigenschaften von belebten Schlämmen beim Betrieb von Membranbioreaktoren = The meaning of filtration properties of activated sludge for the operation of membrane bioreactors

Thiemig, Christoph (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Thiemig

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangXIV, 231 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-02-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35816
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64147/files/3581.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (314110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membran (Genormte SW) ; Bioreaktor (Genormte SW) ; Fouling (Genormte SW) ; Filtrierbarkeit (Genormte SW) ; Energie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Polymer (frei) ; EPS (frei) ; MBR (frei) ; MPE (frei) ; SFI (frei) ; membrane (frei) ; bioreactor (frei) ; filterability (frei) ; energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Einsatz von Membranbioreaktoren (MBR) zur Behandlung kommunaler und industrieller Abwässer bietet gegenüber den konventionellen Verfahren Vorteile hinsichtlich des Platzbedarfs der Anlage und einer verbesserten Ablaufqualität. Der wesentliche Nachteil eines MBR liegt in seinen in der Regel höheren Kosten, die sich im Wesentlichen aus einer begrenzten Lebensdauer der kostenintensiven Membranstufe und hohen Energiekosten für ihren Betrieb (Crossflow-Belüftung) zusammensetzen. Um MBR gegenüber konventionellen Verfahren wirtschaftlich zu machen, gilt es also, die erforderliche Membranfläche und den Energiebedarf für die Crossflow-Belüftung zu minimieren. Beide Aspekte werden maßgeblich von den Eigenschaften des belebten Schlamms und der filtrationsbedingten Verschmutzung der Membranen (Fouling) beeinflusst. Die Filtrierbarkeit des belebten Schlamms bestimmt die Höhe des maximalen spezifischen Flusses, mit dem die Membranfiltration über einen längeren Zeitraum ohne einen übermäßigen Anstieg der Transmembrandrücke betrieben werden kann. Mit sinkender Filtrierbarkeit des Schlammes sinkt auch der maximal mögliche spezifische Fluss und es werden größere Membranflächen zur Filtration der anfallenden Wassermenge erforderlich. Die Filtrierbarkeit wird nach derzeitigem Kenntnisstand maßgeblich von den gelösten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) beeinflusst, die zudem die Hauptverursacher des Membranfoulings sind. Bislang existierte noch kein Messverfahren, mit dem die Schlammfiltrierbarkeit auf einfache Weise vor Ort bestimmt werden kann. Daher stand als erstes Ziel dieser Dissertation zunächst die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem regelmäßig und kostengünstig dieser Parameter auf MBR ermittelt werden kann. Der dazu entwickelte Schlammfiltrationsindex (SFI) wird in einer offenen Rührzelle mit handelsüblichem Filterpapier gemessen. Die erforderliche Messtechnik ist auf vielen Kläranlagen bereits vorhanden bzw. kostengünstig zu beschaffen. Der SFI bildete sehr gut die saisonalen Schwankungen der Schlammfiltrierbarkeit von drei untersuchten MBR ab und zeigte eine starke Korrelation mit den gelösten EPS. Damit bietet dieses Verfahren eine einfache und schnelle Methode zur Quantifizierung dieser für das Membranfouling entscheidenden Fraktion. Als zweiter Schwerpunkt der Dissertation standen Untersuchungen zur positiven Beeinflussung der Schlammeigenschaften mit filtrationsverbessernden Hilfsmitteln. Laborversuche sowie Versuchsreihen an zwei großtechnischen MBR und zwei Pilotanlagenhaben haben gezeigt, dass mit den speziell entwickelten Membrane Performance Enhancern zwei verschiedener Hersteller eine effektive Verbesserung der Schlammfiltrierbarkeit erreicht werden konnte. Die Zugabe der Hilfsstoffe führte zu einer Anhebung des kritischen Flusses. Die während der Filtration gebildete Deckschicht war unter Einfluss der Hilfsstoffe geringer bzw. sie kann durch die Crossflow-Belüftung einfacher resuspendiert werden. Ergänzende Nitrifikations- und Denitrifikationsleistungstest zeigten keine negativen Auswirkungen der Polymerzugabe auf die biologische Leistungsfähigkeit der belebten Schlämme. Zuletzt war die Frage zu beantworten, unter welchen Randbedingungen die Zugabe solcher filtrationsverbessernder Hilfsmittel wirtschaftlich ist. Dazu wurde eine beispielhafte Wirtschaftlichkeitsanalyse vorgestellt, die die entscheidenden Randbedingungen berücksichtigt und zukünftigen Anwendern als Entscheidungshilfe dienen kann.

Membrane bioreactors (MBR) for industrial and municipal applications show advantages at space demand and effluent quality compared to conventional activated sludge (CAS) systems. Their main disadvantages are a higher energy demand and a limited lifetime of the expensive membrane modules. Hence, the challenge to make MBR competitive against CAS contains the minimization of both, membrane surface and energy demand for crossflow aeration. Both aspects are in a close interaction with the sludge properties which affect the formation of the cake layer and an organic fouling of the membranes. The fouling effects are determined by the concentration of extracellular polymeric substances (EPS), the soluble microbial products (SMP) respectively. The maximum specific flux that can be maintained for a longer period (critical flux) depends strongly on the filterability of the activated sludge. If the filterability is poor the transmembrane pressure (TMP) will increase extensively. Up to now there is no general accepted method to measure this important sludge property. The first part of this thesis describes the development and validation of a new simple method to measure the MBR-relevant sludge filterability. The newly developed “sludge filtration index” SFI is measured by commonly used lab devices and produced more reliable data compared to other methods. Temperature effects which influence the sludge viscosity are eliminated by tempering the sludge samples to 20°C before measurement. The SFI showed very well the seasonal changes of sludge filterability in two different municipal MBR. There was a correlation between SFI and the SMP concentration. The second part of this thesis is about trials to improve the sludge filterability in MBR. Three different commercially available polymers (membrane performance enhancer) and other chemicals were tested in beaker tests and large-scale trials. All tests showed a significant improvement of the sludge filterability by the tested membrane performance enhancer. Conventional polymers or precipitation agents showed a much lower improvement. Beside the changes filterability which was quantified by the SFI also the membrane TMP was lowered by the addition of the membrane performance enhancers. The critical flux could be increased significantly. The biological performance was not inhibited by the special polymers shown by long time online measurements of the effluent quality and specific nitrification- and denitrification performance beaker tests. A detailed economic feasibility analysis was presented to define the circumstances under which a polymer addition is profitable for the operator of an MBR. The improvement of filtration-relevant sludge properties in MBR by any measure with the target of increasing the specific flux is the main challenge to enhance the performance of MBR. One way to achieve this target is the addition of specially developed polymers. The hereby presented SFI method is a suitable analytical tool to control and monitor the sludge properties and to judge any measures to improve these properties. The SFI is already used in a couple of different municipal MBR in Germany. An increasing database will help to improve the economical operation of MBR which will make this technology more competitive to conventional technologies.

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