MBR-Einführung

1. Was sind Membranbioreaktoren?

Membranfiltration spielt eine wichtige Rolle bei der Wasser- und Abwasseraufbereitung, da sie herkömmlichen Wassertechnologien nachweislich überlegen ist und eine bessere Leistung sowie eine effizientere Wirtschaftlichkeit aufweist. Die grundlegenden Membranprozesse sind Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), Umkehrosmose (RO). Die Trennbereiche für diese Membranen sind wie folgt: 100 bis 1000 nm für MF, 5 bis 100 nm für UF, 1 bis 5 nm für NF und 0,1 bis 1 nm für RO.  Seit mehr als 10 Jahren haben sich MBRs durch den Einsatz von Membranen im MF- und UF-Bereich zu einer wirksamen Sekundärbehandlungstechnologie entwickelt.

Abb.1, Klassifizierung von Membranen nach Porengröße

Ein Membranbioreaktor (MBR) Prozesse werden hauptsächlich zur Abwasserbehandlung (WWT) verwendet, indem Mikrofiltration (MF) oder Ultrafiltration (UF) eingesetzt und in einen biologischen Prozess wie ein suspendiertes Wachstum integriert werden Bioreaktor. Die Membranen werden als Filter eingesetzt, um die Feststoffe zu entfernen, die während des biologischen Prozesses entstehen, wodurch ein klares und pathogenfreies Produkt entsteht. Ein visuelles Beispiel finden Sie im folgenden Bild eines immersiven MBR (iMBR) in Abbildung 2.

Abb.2: Das Abwasser durchläuft ein feines Sieb, um große Partikel zu entfernen, die Schäden an der nachgeschalteten Ausrüstung verursachen könnten. Dann gelangt es in eine anoxische Zone zur Behandlung von Stickstoff und Phosphat, gefolgt von einer aeroben Zone, in der Mikroorganismen mit Hilfe des aus der FBD austretenden Sauerstoffs die organischen Stoffe im Abwasser verdauen und dabei verklumpen, wodurch ein Schlamm entsteht. Dieser Schlamm gelangt in den Tauchmembran-Bioreaktor, wo sich die Membran abtrennt. die Feststoffe und Mikroorganismen aus Wasser.

Ein Membranbioreaktor ist im Wesentlichen ein Ersatz im herkömmlichen Belebtschlammsystem (CAS) für den Absetzbehälter zur Fest-Flüssig-Trennung. Der MBR bietet dem Endverbraucher eine verbesserte Prozesskontrolle und eine viel bessere Produktwasserqualität.

Das MBR-Verfahren arbeitet mit einem erheblich anderen Parameterbereich als das herkömmliche Belebtschlammverfahren

• SRT 5–20 Tage für konventionelles System – 20–30 Tage für MBR
• F/M 0,05 -1,5 d-1für konventionelles System - < 0,1 d-1 für MBR
• MLSS 2.000 mg/L für konventionelles Verfahren – 5.000–20.000 mg/L für MBR

Im Allgemeinen haben MBRs drei unterschiedliche Membrankonfigurationen (Abb.3)

1. Flachblech (FS)
2. Hohlfaser (HF)
3. Multitube (MT)

Abb. 3, MBR-Membrankonfigurationen, A) Hohlfaser, B) Multitube, C) Flachfolie

2. MBR-Anwendungen

MBRs sind im Allgemeinen eine bevorzugte Option, wenn

1. Der Platz ist begrenzt
2. Der Endverbraucher benötigt hochwertiges aufbereitetes Wasser (z. B. für die Wasserwiederverwendung)

Zunehmend strengere Umweltvorschriften zusammen mit sinkenden MBR CAPEX und OPEX haben zu einem Anstieg der Installationen und deren Größe auf der ganzen Welt geführt. Mittlerweile sind MBRs in mehr als 200 Ländern weltweit mit einer Kapazität von über 4.200 m³/Tag implementiert und ihre Wachstumsraten von bis zu 15 % werden regelmäßig in verschiedenen Marktanalysen berichtet.

Üblicherweise wird die MBR-Technologie auf Abwässer mit einem leicht biologisch abbaubaren organischen Kohlenstoffgehalt angewendet. Letzteres gilt insbesondere für den Lebensmittel- und Getränkesektor, der MBR-Technologien in großem Umfang eingesetzt hat.

Abwassermärkte, die kaum biologisch abbaubare Bestandteile enthalten (z. B. Deponiesickerwasser und pharmazeutische Abwässer), verzeichneten aufgrund der langen Feststoffretentionszeiten (SRT) ebenfalls einen Anstieg von MBRs, die eine verbesserte biologische Behandlung im Vergleich zu herkömmlichen biologischen Verfahren ermöglichen.

Wasser, das suspendiertes Öl (pflanzlich oder mineralisch) enthält, erfordert eine Vorbehandlung (z. B. Plattentrennung, Flotation mit gelöster Luft oder beides), um die Membran zu schützen.

Obwohl der globale MBR-Markt hauptsächlich von einigen wenigen großen Unternehmen dominiert wird, wächst die Zahl der Technologielieferanten weiter, wobei heute über 70 MBR-Membranmodulprodukte auf dem Markt verfügbar sind.

Im Allgemeinen werden MBRs zur Abwasserbehandlung in einer Reihe von Industriesektoren eingesetzt, wie zum Beispiel:

1.      Essen und Trinken − hoher organischer Gehalt

2.      Erdölindustrie − Explorations-, Raffinerie- und Petrochemiesektoren

3.      Pharmazeutik Industrie – über pharmazeutische Wirkstoffe (APIs) verfügen

4.      Zellstoff- und Papierindustrie − hoher Gehalt an Schwebstoffen, CSB und BSB

5.      Abwasser aus der Textilindustrie − Wiederbiologische Abbaubarkeit, Toxizität, FOG-Gehalt und Farbe

6.      Deponiesickerwasser − große Vielfalt gelöster und suspendierter organischer und anorganischer Verbindungen

7.      Schiffsabwässer − gesetzliche Anforderungen und Platzbeschränkungen.

8.      Industrielle versus kommunale Behandlung

 

3. Was sind die Vorteile von MBRs?

Es ist allgemein anerkannt, dass Membranbioreaktoren gegenüber anderen Abwassertechnologien eine Reihe von Vorteilen haben

• I.    Unabhängige Kontrolle von HRT und SRT
• II.   Hochwertiges Abwasser
• III.  Geringer Platzbedarf
• IV.  Verbesserte Bio-Behandlung.
• V.   Unabhängige Kontrolle von HRT und SRT
• VI.  MBR OPEX

I.    Unabhängige Kontrolle von HRT und SRT

Da die biologischen Feststoffe (Mischflüssigkeit oder Schlamm) vollständig im Bioreaktor enthalten sind, kann die Feststoffretentionszeit (SRT) unabhängig von der hydraulischen Retentionszeit (HRT) gesteuert werden. Beim CAS-Verfahren muss man die Flockungsmittelfeststoffe („Flocken“), die im Wesentlichen die Biomasse darstellen, so weit vergrößern, dass sie sich im Nachklärbecken absetzen können. In CAS sind also HRT und SRT miteinander verbunden. Mit zunehmender HRT müssen die Flocken wachsen, was ihre Setzbarkeit erhöht.

II.   Hochwertiges Abwasser

Da die Membranporen des MBR klein sind (<0,5), weist das behandelte Abwasser eine sehr hohe Klarheit und eine deutlich reduzierte Pathogenkonzentration im Vergleich zum CAS-Verfahren auf. Das Abwasser hat eine ausreichend hohe Qualität, um in Gewässer eingeleitet oder für Anwendungen wie städtische Bewässerung, Versorgungsunternehmen oder Toilettenspülung verwendet zu werden. Es kann auch direkt einem Umkehrosmoseprozess zugeführt werden, um ein Permeat mit noch höherer Wasserqualität zu erhalten.

III.  Geringer Platzbedarf

CAS hat eine hohe HRT, was dazu führt, dass eine größere Anlage erforderlich ist. In MBRs ist aufgrund der höheren Konzentrationen die gleiche Gesamtmasse an Feststoffen in einem kleineren Volumen enthalten, sodass der Fußabdruck kleiner ist.

IV.  Bessere biologische Behandlung

MBRs haben eine höhere SRT, was tendenziell eine insgesamt bessere biologische Behandlung ermöglicht, da sie die Entwicklung langsamer wachsender Mikroorganismen, insbesondere Nitrifikanten, fördert. Diese Tatsache macht MBRs bei der biologischen Entfernung von Ammoniak („Nitrifikation“) sehr effektiv.

V.   Was sind die Nachteile von MBRs?

Die Hauptnachteile eines MBR sind die Komplexität des betrieblichen Prozesses und die Kosten, die sich in CAPEX und OPEX niederschlagen.

Beide letztere reagieren sehr empfindlich auf die Kosten der Membran. Der OPEX ist zusätzlich empfindlich gegenüber,

• die Membranlebensdauer
• Permeatfluss
• die Membran-Luftreinigungsrate (Luftreinigungsenergie)

VI.   MBR OPEX

Im Allgemeinen sind die wichtigsten Elemente, die sich auf den MBR OPEX auswirken, folgende:

1. Membrankosten pro m²Membranoberfläche
2. Membranlebensdauer in Jahren
3. Netto-Permeatfluss (Produktfluss/Einheitsfläche) unter Berücksichtigung der Stillstandszeit und der Verwendung des Produktwassers zur Reinigung der Membran
4. Membranspezifischer Belüftungsbedarf (SADm) in Nm³/m² Membranfläche/h. Nm³ ist das Luftvolumen bei einer Temperatur von 20°C und 1 bar Druck.
5. Landkosten/m² Landfläche
6. Energiekosten/kWh
7. Wert der verbesserten Wasserqualität

 (7) ist nicht ohne weiteres quantifizierbar, kann aber durch eine Lebenszyklusanalyse in den quantitativen ökologischen Fußabdruck übertragen werden.

 

6. Bewertung von CAS vs. MBR

Damit CAS ein Abwasser mit der gleichen Wasserqualität wie der MBR erzeugen kann, sind möglicherweise alle oder einige der folgenden Voraussetzungen erforderlich:

1. größere Tankgrößen (und damit eine größere Landfläche) für eine erweiterte HRT
2. Erhöhte Chemikaliendosierung, um eine hohe Phosphorkonzentration (P) zu erreichen
3. Nachbehandlung entweder mit einem Multimediafilter (MMF) oder Ultrafiltration/Mikrofiltration (UF/MF), um eine mit dem MBR vergleichbare Qualität des behandelten Wassers in Bezug auf Schwebstoffe (SS) und Mikroorganismenkonzentration zu erreichen.

Bei bestehenden Anlagen richtet sich die Nachrüstung mit einem MBR nach der verfügbaren Fläche. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Qualität des aufbereiteten Wassers und/oder eine Erhöhung der Durchflusskapazität, allerdings bei höherem Energiebedarf.

7. MBR-Konfigurationen

MBR-Membranfiltration hat zwei Hauptkonfigurationen; 1) vakuumbetriebene Membranen, die direkt in den Bioreaktor eingetaucht sind (iMBR) und 2) druckbetriebene Filtration in Nebenstrom-MBRs (sMBR) (Abb.4).

Abb.4, Wichtigste kommerzielle MBR-Konfigurationen; (A) Eingetauchter MBR, (B) Nebenstrom-MBR

MBRs benötigen eine Scherkraft über die Membranoberfläche, um eine Verschmutzung der Membran durch den Abwasserinhalt zu vermeiden, und sind entscheidend für die Aufrechterhaltung eines gewünschten Permeatflusses.

Wenn ein Luft-/Flüssigkeitsstrom parallel zur Membranoberfläche strömt, erzeugt er eine Scherkraft, die dazu beiträgt, den Grad der Verschmutzung auf der Membranoberfläche zu begrenzen (Abb. 5).

 

Abb.5, Verwendung von Luftblasen aus der Belüftung zum Reinigen der Oberfläche der MBBR-Membranen

Eingetauchte Prozesse nutzen genau aus diesem Grund die Belüftung im Bioreaktor, aber Nebenstrom-MBRs müssen, wie bei den meisten anderen Membranprozessen, Pumpen einsetzen. Dieser Unterschied im Energiebedarf erklärt die Marktdominanz der iMBR-Konfiguration.

Außerdem ist die Verschmutzung in den sMBRs aufgrund des Pumpens von Belebtschlamm stärker, was die Scherbeanspruchung der mikrobiellen Flocken erhöht und zu deren Zerfall führt, was zu einer Verringerung der Partikelgröße und der Freisetzung von Verschmutzungsmaterial führt.

Die MBR-Konfigurationen verfügen über drei Hauptmembrankonfigurationen, die derzeit in der Praxis verwendet werden

1. Flachblech (FS)
2. Hohlfaser (HF)
3. Mehrrohr oder Mehrkanal (MT/MC)

Obwohl sMBRs energieintensiver sind als iMBRs, bieten sie eine Reihe von Vorteilen:

a.   Reduzierter Membranflächenbedarf durch Betrieb mit höherem Fluss

b.  operative Flexibilität für Betrieb & Reinigungszyklus; Im Gegensatz zu iMBR kann eine chemische In-situ-Reinigung der Membranen ohne chemisches Risiko für die Biomasse durchgeführt werden

c.  Die Kosten für Wartung und Anlagenstillstand, insbesondere für den Austausch von Membranmodulen, sind im Allgemeinen etwas niedriger; Die Module sind leicht zugänglich und können daher in viel kürzerer Zeit ausgetauscht werden als bei den eingetauchten Membranen

d.  die Membranmodule können je nach hydraulischer Belastung online und offline geschaltet werden

Der Betrieb bei höheren Feststoffkonzentrationen ist möglich

F.  Ein Betrieb mit geringerem Energiebedarf ist möglich, wenn der Druck und die Durchflussraten reduziert werden oder wenn die Membranen für den Air-Lift-Betrieb konfiguriert werden, was dann jedoch mehr Membranfläche erfordert.

Bei kleinen Strömen schwer zu behandelnder Abwässer ist der sMBR aufgrund seiner einfachen Bedienung, des geringeren Platzbedarfs und der einfacheren Wartung, insbesondere wenn es um den Membranaustausch geht, häufig die vorherrschende Lösung. Bei sehr großen Anlagen wird der iMBR immer mit den HF-Membranen gewählt, da der OPEX in der Regel geringer ist.

Für Zwischenflüsse wählen wir normalerweise einen HF- oder FS-iMBR. Der FS ist einfacher zu bedienen, aber sowohl die Membrankosten pro m² Fläche als auch der Energiebedarf sind etwas höher als bei der HF-Konfiguration.

Obwohl die meisten sMBRs die klassische Pumpenkonfiguration verwenden, können sie, wenn die Membranen in einer Reihe in einem Serpentinenmuster angeordnet sind, im Air-Lift-Modus betrieben werden, der einen nahezu gleichen Energiebedarf wie die iMBRs hat und daher für kommunale Abwasseranwendungen in Betracht gezogen werden kann, mit dem Vorteil eines geringeren Platzbedarfs und einer effektiven Lumpenentfernung. Die Membranen sind jedoch normalerweise teurer als die eingetauchten.

8. MBR-Betrieb und -Wartung – Verschmutzung, Verstopfung und Reinigung

Der Rückgang der Permeabilität in MBRs wird hauptsächlich durch Membranverschmutzung und Verstopfung der Membrankanäle verursacht:

1. Durch „Fouling’ wir meinen die Beschichtung der Membranoberfläche bzw. das Verstopfen der Membranporen mit gelösten, kolloidalen oder feinen Feststoffen. Normalerweise wird es durch physikalische und chemische Reinigungszyklen entfernt.
2. Durch „Verstopfen“ wir meinen die Agglomeration grober Feststoffe innerhalb oder am Eingang der Membrankanäle. Eine Verstopfung innerhalb der Kanäle wird manchmal als „Verschlammung“ bezeichnet.

In kommunalen Kläranlagen können Membranen manchmal auch durch „Lappen“ verstopft werden. (oder „Zöpfe“), die aus aggregierten filamentösen Stoffen (insbesondere Textilfasern wie Watte) gebildet werden. Wir bezeichnen dies als „Zopfen“ oder „Zopfen“.

Abb.6. Permeabilitätsabfall in MBRs

Die Membranreinigung kann entweder physikalisch oder chemisch erfolgen. Durch die physikalische Reinigung werden grobe Feststoffe entfernt, die an der Membranoberfläche haften (reversible Verschmutzung). Die chemische Reinigung entfernt hartnäckigeres Material (irreversible Verschmutzung).

1. Physikalische Reinigung wird normalerweise durch „Rückspülen“ durchgeführt. (Umkehrung des Rückflusses durch die Membran), der durch Kombination mit Luft oder „Entspannung“ verstärkt werden kann. (Aufhören der Permeation, während die Membran weiterhin mit Luftblasen gereinigt wird). Diese beiden Techniken können in Kombination verwendet werden
2. Bei der chemischen Reinigung wird normalerweise Natriumhypochlorit (NaOCl), eine oxidative Chemikalie, in Kombination mit mineralischen oder organischen Säuren (am häufigsten Zitronensäure, C₆H₈O₇) verwendet, ohne dass die Membran aus dem Tank oder der Anlage entfernt werden muss (Reinigung vor Ort oder CIP). Wenn eine chemische Reinigung mit einer Rückspülung kombiniert wird, spricht man normalerweise von einer „chemisch unterstützten Rückspülung“. (CEB). CEBs werden bei HF-iMBRs routinemäßig wöchentlich/monatlich durchgeführt.

Physikalische Reinigung erfolgt 1) im Allgemeinen schnell, 2) erfordert keine Chemikalien, 3) erzeugt keinen chemischen Abfall und 4) es ist weniger wahrscheinlich, dass die Membran beschädigt wird. An einigen Stellen ist jedoch immer eine chemische Reinigung erforderlich, da ein Restwiderstand verbleibt, der als „unwiederbringliche Verschmutzung“ definiert werden kann. die sich im Laufe der Zeit ansammeln und die Lebensdauer der Membran verkürzen können.

Chemische Reinigung mit dem Ziel, die Permeabilität wiederherzustellen, erfordert höhere Reagenzienkonzentrationen und längere Kontaktzeiten.

Weder die routinemäßige physische Reinigung noch die chemische Reinigung können Verstopfungen entgegenwirken, die einen manuellen Eingriff (Entfernung der eingetauchten Membran aus den Tanks) erfordern, um das agglomerierte Material zu entfernen.  

 

 Abb.7, physikalische und chemische Reinigungsverfahren für die MBR-Membranreinigung