Membranbioreaktoren zur industriellen Abwasserreinigung

Baumgarten, Sven; Dohmann, Max

doi:HT015575194

Membranbioreaktoren zur industriellen Abwasserreinigung = Membrane bioreactors for industrial wastewater treatment

Baumgarten, Sven

2007 & 2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sven Baumgarten

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangVIII, 200 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Prüfungsjahr: 2007. - Publikationsjahr: 2008

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Dohmann, Max (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-23941
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50102/files/Baumgarten_Sven.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Membranbioreaktor (Genormte SW) ; Industrieabwasser (Genormte SW) ; Abwasserreinigung (Genormte SW) ; Kläranlage (Genormte SW) ; Biologische Abwasserreinigung (Genormte SW) ; Chemische Abwasserreinigung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MBR (frei) ; Mikroschadstoffe (frei) ; pulverisierte Aktivkohle (frei) ; kolloidales Fouling (frei) ; Scaling (frei) ; Filtrationsleistung (frei) ; Schlammcharakterisierung (frei) ; Membrane bioreactor (frei) ; industrial wastewater (frei) ; micro pollutants (frei) ; PAC (frei) ; colloidal fouling (frei) ; scaling (frei) ; sludge characterization method (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Membranbioreaktoren (MBR) zur Reinigung organisch verschmutzter Abwässer zählen zu den bedeutenden Entwicklungen der letzten Zeit. Sie basieren auf der Weiterentwicklung der biologischen Abwasserreinigung mit suspendierter Biomasse, wobei Membranen zur Trennung von Biomasse und biologisch gereinigtem Wasser eingesetzt werden. Wesentliche Vorteile von MBR gegenüber bestehenden biologischen Abwasserreinigungstechniken sind die höhere Ablaufqualität sowie der geringere Platzbedarf. Speziell für den industriellen Einsatz von MBR sind beide Merkmale von besonderer Bedeutung, da zusätzlich zu Zielen des Gewässerschutzes die innerbetriebliche Wiederverwendung des gereinigten Abwassers ermöglicht werden kann. Entscheidende Voraussetzungen für den Einsatz sind jedoch die technische Machbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit. Beide Kriterien werden maßgeblich durch die Filtrationsleistung der Membrantrennstufe, die über den Membranflächenbedarf und die Betriebskosten entscheidet, und die Reinigungsleistung bzw. Ablaufqualität bestimmt. Im kommunalen Bereich liegen aufgrund der Vielzahl von Anwendungen und der Ähnlichkeit des behandelten Abwassers bereits umfangreiche Erkenntnisse zur Reinigungs- und Filtrationsleistung vor. Für den industriellen Einsatz von MBR hingegen sind große Leistungsunterschiede bekannt, die auf eine unterschiedliche Prägung industrieller Abwässer zurückzuführen sind. Bislang liegen jedoch kaum detaillierte und übertragbare Erkenntnisse zu den Ursachen der Leistungsunterschiede vor. Daneben verbleiben Erkenntnisse aus dem Betrieb pilot- wie auch großtechnischer Anlagen zumeist beim Betreiber. Um eine Basis für einen optimierten Einsatz von MBR im industriellen Bereich zu schaffen, erscheint eine genauere, übergreifende Untersuchung der Leistungsunterschiede sinnvoll. Schwerpunkte dieser Arbeit waren es, zentrale Einflüsse auf die Leistung von MBR zu identifizieren und Untersuchungsmethoden zu ermitteln, um die Leistung zu charakterisieren sowie nach Möglichkeit vorherzusagen. Die ermittelten Erkenntnisse wurden weitergehend genutzt, um geeignete Ansätze zur Leistungssteigerung abzuleiten. Im Rahmen der Untersuchungen wurden unterschiedliche Abwässer der chemischen, pharmazeutischen, textilveredelnden und papierverarbeitenden Industrie sowie hochbelastete Prozesswässer aus der Abfallablagerung, Bioabfallvergärung und Klärschlammbehandlung in MBR behandelt. Die ausgewählten Abwässer repräsentieren einen weiten Bereich hinsichtlich der zu eliminierenden Schmutzstoffe, deren Konzentrationen und der biologischen Abbaubarkeit. Entsprechend wurden starke Unterschiede in Bezug auf die Reinigungs- und die Filtrationsleistung ermittelt. Für einige Abwässer erscheint auf Grund der unzureichenden Leistung zunächst kein technischer bzw. wirtschaftlicher Einsatz eines MBR möglich. In Bezug auf die Reinigungsleistung bestimmt die biologische Abbaubarkeit der gelösten, niedermolekularen Abwasserinhaltsstoffe die erzielbare Reinigungsleistung. Diese kann hinreichend genau in labortechnischen Abbauversuchen bestimmt werden. Die Trenngrenze der eingesetzten Mikro-/ Ultrafiltrationsmembranen ist hingegen von untergeordneter Bedeutung. Die erzielbare Filtrationsleistung wird maßgeblich durch die Verschmutzung der Membranen durch die Verschmutzungsfaktoren „kolloidales Fouling“ und „Scaling“ bestimmt. Es wurden geeignete Testmethoden ermittelt, anhand derer das Fouling- und Scalingpotential von Abwässern bzw. Belebtschlamm-Wasser-Gemischen vorhergesagt werden können. Ausgehend von diesen zentralen Erkenntnissen wurde in weiterführenden Untersuchungen ein umfangreiches Optimierungspotential zur Leistungssteigerung ermittelt. Eine Steigerung der Reinigungsleistung kann alternativ zur Nachschaltung weitergehender Verfahrensstufen durch die simultane Zugabe pulverisierter Aktivkohle realisiert werden. Zur Verminderung der Fouling- und Scalingneigung wurden verschiedene Ansätze zur vorgeschalteten oder simultanen Störstoffelimination erfolgreich erprobt. Anhand einer kritischen Bewertung der untersuchten Optimierungsansätze wurde gezeigt, dass diese in vielen Fällen nachhaltig und wirtschaftlich zur Leistungssteigerung einsetzbar sind. Die im Rahmen der Arbeit gesammelten Erkenntnisse können genutzt werden, Betriebsprobleme bestehender MBR-Anlagen zu beheben, deren Betrieb wirtschaftlicher zu gestalten oder den Einsatzbereich von MBR auch auf die Behandlung bislang als problematisch definierter Abwässer auszuweiten.

Membrane bioreactor (MBR) technology for treatment of organically contaminated wastewater is one of the notable developments in recent years. MBR technology is based on the ongoing development of biological water treatment with suspended biomass, where membranes are used to separate the biologically treated water from the biomass. Major benefits of MBR compared to existing technologies are the improved effluent quality and lower footprint. Both characteristics are of special interest in industrial applications, because in addition to environmental issues, the possibility exists for the direct/ indirect reuse of the treated water within the industrial process. However, applicability of MBRs relies on their technical feasibility and cost-effectiveness. Both criteria are primarily dependent on the filtration performance of the membrane unit, which determines membrane surface area required and operating costs, as well as on the cleaning efficiency or the treated effluent quality. In the municipal sector, there is substantial experience with MBR filtration and cleaning performance, due to the number of operating installations and similarity of the wastewater to be treated. In general, municipal MBR performance varies little between applications. In contrast, significant variations exist between industrial wastewater sectors, due to the highly application-dependent characteristics of industrial wastewaters. To date, most of the plants reflect specific applications and there is little detailed or transferable knowledge available to account for these differences in performance. In addition, much of the existing knowledge remains primarily with the technology providers and operators of MBR systems. In order to develop a basis for the optimal introduction of MBR technology within the industrial sector, a more accurate and comprehensive investigation of the differences in performance is required. Consequently, the primary goals of this work were to identify the key factors of MBR performance, to develop suitable methods for the characterization, quantification and – where feasible – prediction of MBR performance. Based on the gathered knowledge, advanced approaches for the improvement of MBR performance have been developed. Investigations of MBR performance were carried out by treating different water sources in MBR systems. Wastewaters were derived from the chemical, pharmaceutical, textile and paper industry as well as heavily loaded process wastewaters from solids disposal and biotreatment and sludge handling. The wastewaters used represent a wide range with respect to the types and concentrations of contaminants to be eliminated and their biodegradability. Consequently, a wide variety of filtration and cleaning performance was achieved during MBR treatment. For some of the treated wastewaters, a lack of performance indicated that MBR technology was not technically or economically viable. The biodegradability of soluble or low molecular weight organic compounds is a key factor in achieving the desired cleaning performance. A detailed assessment can be undertaken in analytical laboratory testing. In comparison, the molecular weight cut off of the applied micro- or ultrafiltration membranes is of minor importance. Desired filtration performance and especially variances from municipal applications are primarily determined by the fouling factors "colloidal fouling" and "scaling". Suitable methods have been developed to evaluate or forecast the fouling and scaling potential of mixed liquors and raw wastewaters. Further investigations indicated a high potential for optimizing performance. As an alternative to advanced treatment downstream the MBR, improvements in cleaning performance can be achieved by simultaneous addition of powdered activated carbon. Improvements of filtration performance through reduction of fouling and scaling potential were also successfully tested by upstream or simultaneous removal of related compounds. All approaches for optimization were critically evaluated to identify if and under which conditions a sustainable and economical increase in performance could be achieved. It is anticipated that the knowledge gathered in this work will help to solve operational problems of existing MBRs, improve MBR cost-effectiveness and further expand the applicability of MBRs to previously problematic industrial wastewater applications.

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