Optimierung der Energiebilanz von Membranbioreaktoren

Krebber, Katrin Nikola; Pinnekamp, Johannes

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-48985

Optimierung der Energiebilanz von Membranbioreaktoren = Optimizing the energy balance of membrane bioreactors

Krebber, Katrin Nikola (Author)

2013 & 2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Katrin Nikola Krebber, geb. Veltmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXVI, 196 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Prüfungsjahr: 2013. - Publikationsjahr: 2014

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-12-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48985
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229444/files/4898.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Abwasserreinigung (Genormte SW) ; Kläranlage (Genormte SW) ; Membran (Genormte SW) ; Bioreaktor (Genormte SW) ; Membranbioreaktor (Genormte SW) ; Energie (Genormte SW) ; Filtration (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MBR (frei) ; Modellanlage (frei) ; membrane (frei) ; bioreactor (frei) ; energy (frei) ; wastewater (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Membranbioreaktoren (MBR) erreichen durch Filtration bei der Reinigung kommunaler Abwässer eine hervorragende Wasserqualität und einen weitgehenden Rückhalt von Bakterien und Viren. Im Vergleich zur konventionellen Abwasserreinigung weisen sie weitere Vorteile wie z.B. einen geringeren Platzbedarf auf. Nachteilig ist jedoch der erhöhte Stromverbrauch. Während der Filtration entsteht auf den Membranen eine Deckschicht, die durch energieintensive Belüftung unterhalb der Membranmodule kontinuierlich abgetragen werden muss. Die Energiebilanz von MBR wird zudem dadurch verschlechtert, dass sie mit hohem Schlammalter als simultan aerob stabilisierende Anlagen bemessen und betrieben werden. Dies steigert den Strom¬verbrauch infolge eines erhöhten Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen, ferner wird so kein Strom durch anaerobe Klärschlammstabilisierung erzeugt. Im Rahmen der Arbeit wurden Maßnahmen zur Optimierung der Energiebilanz für MBR erarbeitet und mit Praxisbeispielen belegt. Hierzu wurden Daten aus dem mehrjährigen Betrieb von sieben groß¬technischen MBR genutzt. Darüber hinaus wurde eine Modellanlage für MBR erstellt, anhand derer die Optimierungsansätze hinsichtlich ihrer energetischen Auswirkungen überprüft sowie neue Konzepte theoretisch untersucht wurden. Der mittlere spezifische Stromverbrauch der untersuchten MBR liegt je nach Rand-bedingungen und erfassten Aggregaten zwischen 0,73 und 1,83 kWh/m³ bzw. ca. 49 und 208 kWh/(E•a). Als Hauptstromverbraucher verursachen die Membrangebläse im Durchschnitt 53% des Gesamtstromverbrauchs. Diese bieten jedoch verschiedene Ansatzpunkte zur Optimierung. Die Intensität der Membranbelüftung ist seitens der Hersteller vorgegeben und unabhängig vom Filtrationsfluss. Daher ist der Betrieb mit möglichst hohem konstantem Fluss vorteilhaft. Er ist jedoch abhängig von einigen anlagenspezifischen Randbedingungen und stets ein Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Deckschichtbildung. Des Weiteren muss die Intensität der Membranbelüftung überprüft werden, um eine Überbelüftung zu vermeiden und sie gegebenenfalls den Erfordernissen z.B. mit Frequenzumformung anzupassen. Als grobblasige Belüftung sollte sie nie zum Sauerstoffeintrag aktiviert werden. Nach längeren Stillstandszeiten einer Membrankammer werden die Membrangebläse eingesetzt, um anaerobe Zustände und ein Absetzen des Belebtschlammes zu vermeiden. Zur Begrenzung dieser Zwangsbelüftung sollte die aktive Membrankammer häufig, möglichst nach jedem Filtrationsintervall gewechselt werden. Es wird im Takt-Pause-Intervall filtriert, um Deckschichten effektiv abzutragen. Hierbei wird die Filtration periodisch unterbrochen jedoch weiter belüftet. Daher sollten Filtrationszyklen nicht vorzeitig abgebrochen werden, um einem ungünstigen Verhältnis zwischen belüfteten Filtrationspausen und gewonnenem Permeat entgegenzuwirken. Vor Filtrationsbeginn ist genügend Abwasser für einen vollständigen Filtrationszyklus zu speichern. Auch bei anderen Aggregaten, wie den Permeatpumpen, den Rezirkulationspumpen oder den Rührwerken wurde Optimierungspotential identifiziert. Die Anordnung der Membranmodule in separaten Membrankammern hat gegenüber der integrierten Anordnung im Belebungsbecken energetische Nachteile, bietet jedoch betriebliche Vorteile. Der spezifische Stromverbrauch nimmt mit steigender hydraulischer Anlagenauslastung ab. Diese ist jedoch bei den untersuchten MBR mit im Mittel 14% bis 45% gering. Somit ist eine Betriebsführung, die die Menge des Anlagenzulaufs berücksichtigt, energetisch sinnvoll. Zunächst ist die Anzahl der filtrierenden Module an den Zufluss anzupassen. Darüber hinaus sollte der Betrieb energieintensiver Aggregate an den Zufluss angepasst werden. Korrelieren die Laufzeiten der Aggregate mit der hydraulischen Auslastung der Anlage, ist dies ein Zeichen für eine energieorientierte Betriebsweise. MBR werden bisher als simultan aerob stabilisierende Anlagen mit einem Bemessungsschlammalter von 25 d ohne Vorklärung gebaut. Der Sauerstoffbedarf steigt mit höherem Schlammalter an, da organische Abwasserinhaltsstoffe weiter mineralisiert werden. Teilweise ist das Schlammalter bei den untersuchten MBR sehr hoch und Optimierungspotential durch Senkung des Schlammalters vorhanden. Sowohl für den Stromverbrauch als auch für den stabilen Betrieb eines MBR scheint sich der Betrieb einer Vorklärung positiv auszuwirken, wie die Erfahrungen mit zwei der untersuchten MBR und Berechnungen anhand der Modellanlage zeigen. Die Untersuchungen zur anaeroben Klärschlammstabilisierung anhand der Modellanlage ergaben, dass insgesamt Einsparungen zwischen 0,25 kWh/m³ (16 kWh/(E•a)) und 0,32 kWh/m³ (20 kWh/(E•a)) entsprechend 39,5% bis 53,6% gegenüber der konventionellen Konfiguration zu erzielen sind. Es wird aus energetischer Sicht empfohlen, zukünftig jeden größeren MBR mit Vorklärung und Faulung zu bauen und eine Nutzung des Faulgases zu realisieren.

When used to treat municipal wastewater, membrane bioreactors (MBR) attain excellent water quality and an extensive retention of bacteria and viruses through filtration processes. In comparison to conventional wastewater treatment, MBR have other advantages, such as a smaller footprint. Disadvantageous is the increased electricity consumption. During filtration, a cake layer occurs on the membranes, which has to be constantly removed through energy-intensive aeration underneath the membrane module. The energy balance of MBR is also worsened since they are dimensioned and operated with a high sludge age as simultaneous aerobic stabilizing plants. This increases electricity consumption due to the microorganisms’ increased oxygen demand; furthermore, no electricity is generated by anaerobic sludge digestion. Within the scope of this work, measures to optimize the energy balance of MBR were developed and substantiated with examples from the field. To accomplish this, data from the multi-year operation of seven large-scale MBR plants were used. Moreover, a model plant was developed to test the approaches for optimization of MBR regarding their effects upon energy efficiency and to investigate new concepts theoretically. The mean specific electricity consumption of the MBR investigated lies, depending upon the limiting conditions and aggregates recorded, between 0.73 and 1.83 kWh/m3, or approx. 49 and 208 kWh/(PE•a)). The membrane blowers consume the most electricity, on average 53% of the overall electricity consumption. There are various approaches to optimize them. The intensity of the membrane aeration is given by the manufacturer and independent of the flux. Therefore, the operation with as high and constant flux as possible is advantageous. This is, however, dependent upon several limiting conditions specific to the plant itself and constantly a compromise between electricity consumption and formation of the cake layer. Furthermore, the intensity of the membrane aeration needs to be checked in order to avoid over-aeration and to adapt it, if necessary, to the requirements, e.g. with frequency conversion. As aeration with coarse bubbles, this conversion should never be activated for oxygenation. After a long downtime of a membrane chamber, the membrane aeration is used to prevent anaerobic conditions and the activated sludge from settling. To limit this forced aeration, the active membrane chambers should be changed, if possible, after every filtration interval. Filtration occurs in a pulse-pause interval in order to remove cake layers effectively. Thus, the filtration is interrupted periodically, but aeration continues. For this reason, filtration cycles should not be broken off ahead of schedule so as to counteract an unfavorable ratio between aerated filtration pauses and permeate gained. Before filtration begins, sufficient wastewater must be stored for a complete filtration cycle. With other aggregates, such as permeate pumps, recirculation pumps or stirrers, potential for optimization has also been identified. Compared to the integrated arrangement in the aeration tank, the arrangement of the membrane modules in separate membrane chambers has disadvantages regarding energy consumption, but it also offers operational advantages. The specific electricity consumption falls as the hydraulic load increases. This is, however, low – on average 14% to 45% in the MBR under investigation. Thus, operation management that takes the amount of plant influent into account makes sense regarding energy consumption. Initially, the number of filtrating modules has to be adapted to the influent. Furthermore, the operation of energy-intensive aggregates should be adapted to the influent. If the running time of the aggregates correlates with the hydraulic load of the plant, this signals that the mode of operation is oriented towards energy consumption. Previously, MBR have been built as plants with simultaneous aerobic sludge digestion with a design sludge age of 25 d without primary sedimentation. The oxygen demand increases as the sludge age increases since organic components continue to be mineralized. Partially, the sludge age is very high in the MBR under investigation and there is potential to optimize the process by reducing the sludge age. Operating a primary sedimentation has a positive effect for power consumption as well as for the stable operation of an MBR, as the experience with two of the MBR investigated and the calculations using the model plant suggest. The investigations on anaerobic sludge digestion using the model plant resulted in a total possible savings of between 0.25 kWh/m³ (16 kWh/(PE•a)) and 0.32 kWh/m³ (20 kWh/(PE•a)), which corresponds to 39.5% to 53.6%, respectively, when compared to the conventional configuration. It is recommended, based on energy consumption, to build every larger MBR with primary sedimentation and anaerobic sludge digestion and to utilize the digester gas.

Fulltext:
PDF