Untersuchung des Anreicherungs­verhaltens von schwer abbaubaren gelösten organischen Substanzen in Membranbele­bungsanlagen unter besonderer Berücksichti­gung von Industrieklär­anlagen

Förderkennzeichen	24007-23
Finanzierung	Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Bearbeitungszeitraum	2006 - 2009
Projektleitung	Prof Dr. sc. techn. Peter Krebs
Projektbearbeitung	Dipl.-Ing. Thomas Schalk Dr.-Ing. Volker Kühn
Bericht	Link zur DBU-Datenbank

Zusammenfassung

Membranbelebungsanlagen werden vielfach zur Behandlung industrieller und gewerblicher Abwässer, zunehmend auch zur Reinigung häuslicher Abwasser in mittleren und kleinen Kläranlagen eingesetzt. Die Verfahren haben sich in der Praxis bewährt. Die positiven Auswirkungen der Membrantechnik auf die Abwasserbehandlung und die damit verbundenen hohen Eliminationsleistungen sind eingehend beschrieben. Ein bekanntes Phänomen beim Betrieb von Membranen stellt die Bildung von Deckschichten (gel-artige Strukturen) dar, die einerseits eine Verbesserung der Abscheidung bewirken, andererseits zur Verblockung der Membranen und damit ggf. zur Störung des Trennprozesses führen.

Technisch bedingt, reichern sich alle partikulären Substanzen oberhalb der Trenngrenze der installierten Membran an. Darüber hinaus können hochmolekulare Substanzen infolge der Ausbildung einer Gelschicht auf der Membran im Belebtschlamm akkumuliert werden. Ziel des Forschungsvorhabens war es, mit Hilfe eines Screenings an großtechnisch realisierten kommunalen und an mit gewerblichem bzw. industriellem Abwasser beschickten Kläranlagen festzustellen, ob die Anreicherung schwer abbaubarer hochmolekularer organischer Substanzen ein spezifisches Problem von Membranbelebungsanlagen darstellt, ob es an bestimmte Bedingungen geknüpft ist und, ob eine Verlagerung dieser Substanzen auf andere Kläranlagen stattfinden kann.

Das Screening erfolgte mit jeweils 5 Beprobungen in Abstand von zwei Monaten an fünf kommunalen Kläranlagen und vier Betriebskläranlagen verschiedener Konfiguration in Verfahrensführung und eingesetzter Membrantechnik (Plattenmembranen, Hohlfasermembranen, Porengröße: 0,04…0,4 µm). Parallel dazu wurden halbtechnische Versuche mit kommunalem Abwasser der KA Dresden-Kaditz und Industrieabwasser aus der Biodieselproduktion im Technikum des Instituts für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft der TU Dresden durchgeführt.

Zur Bestimmung der Anreicherung hochmolekularer Substanzen wurde die Partikelgröße der filtrierten Belebtschlämme mit Hilfe verschiedener Membranfilter fraktioniert und mit den Permeatkonzentrationen verglichen. Darüber hinaus wurde die Fraktionierung an den Zuflüssen zu den biologischen Stufen und an ggf. anfallendem Prozesswasser vorgenommen. Mit Hilfe der Belebtschlammfraktionierung können Änderungen in der Schlammbeschaffenheit festgestellt werden. Insbesondere Betriebsstörungen (niedrige pH-Werte, Sauerstoffunterversorgung), aber auch Substratmangel führen dazu, dass sich Konzentrationen einzelner Fraktionen im Vergleich zum Regelfall verschieben und vom Gesamtzusammenhang abweichen. Um derartige Störungen identifizieren zu können, bedarf es einer mehrfachen Beprobung. Darüber hinaus kann sich der Einsatz von Flockungsmitteln auf den Nachweis der Anreicherung auswirken. Während der Versuche an einer halbtechnischen Membranbelebungsanlage konnte eine permanent vorhandene Grundanreicherung identifiziert werden und eine darüber hinaus gehende reversible Anreicherung, die auf Änderungen in der Schlammbeschaffenheit zurückzuführen ist. Die betriebliche Anreicherung zeigt einen Zusammenhang mit dem ISV. Aufgrund des hohen Schlammvolumens von Membranbelebungsanlagen ist eine Prüfung der Korrelation an Praxisanlagen nur bedingt möglich.

Die Anreicherung hochmolekularer organischer Substanzen in kommunalen Kläranlagen ist im Regelfall gering ausgeprägt. Bei Gegenüberstellung der an den verschiedenen großtechnischen kommunalen Anlagen und der Versuchsanlage ermittelten Werten ist ein fallender Trend zwischen Schlammalter und der Bildungsrate nicht membrangängiger Substanzen zu erkennen. Obwohl mit Zunahme des Schlammalters weniger Überschussschlamm abgezogen wird, ist der oTS-bezogene Anteil der angereicherten Substanzen geringer als bei niedrigeren Schlammaltern. Es ist anzunehmen, dass ein Teil der angereicherten Substanzen bei höheren Schlammaltern abgebaut wird. Es ist bekannt, dass der CSB in Kläranlagenabläufen nicht dem tatsächlich inerten, aus dem zufließenden Abwasser stammenden CSB, entspricht, sondern auch Substanzen enthält, die biologisch langsam abbaubar sind und z. T. von den Mikroorganismen des Belebtschlamms gebildet wurden.

In Kläranlagen mit gewerblichem oder industriellem Zufluss kann die Anreicherung durch die Zuflussbeschaffenheit beeinflusst werden. Die Behandlung hoch partikulärer Abwässer trat in Verbindung mit ebenso hoch partikulären Belebtschlämmen auf. Es ist anzunehmen, dass eingeleitete schwer abbaubare partikuläre Substanzen durch die Membran im Belebtschlamm physikalisch zurückgehalten werden. Die Anreicherung ist damit anlagenspezifisch und kann wesentlich höhere Werte als bei der Behandlung kommunaler Abwässer erreichen.

Die Bildung hochmolekularer organischer Substanzen infolge der mikrobiologischen Aktivität des Belebtschlamms ist kein spezifisches Phänomen von Membranbelebungsanlagen, sondern trifft ebenso auf kommunale Belebtschlämme konventioneller Anlagen zu, bei denen allerdings keine Anreicherung aufgrund der fehlenden Barriere stattfindet. Insofern ist eine gesonderte Bewertung von kommunalen Membranbelebungsanlagen unter dem Aspekt der Anreicherung hochmolekularer Substanzen gegenwärtig nicht erforderlich. Die Verlagerung von CSB infolge der Anreicherung auf andere Kläranlagen zur Schlammbehandlung liegt, bezogen auf die Gelöst-CSB-Fracht im Zulauf der untersuchten Anlagen, unter 0,5 %.

Bei Anlagen zur Behandlung von Industrieabwässern ist zu prüfen, ob es sich bei den angereicherten Substanzen um ökologisch bedenkliche Stoffe handelt. Insofern keine innerbetriebliche Schlammbehandlung oder thermische Schlammentsorgung vorgenommen wird, wäre im Einzelfall zu prüfen, ob die Entsorgung des Überschussschlamms zu einer Beeinträchtigung der Umwelt führen kann.

Schlagwörter

Membranbelebungsverfahren, kommunales Abwasser, Industrieabwasser, EPS, SMP, Fraktionierung, Anreicherung, Biodiesel, BDF-Abwasser, Bioabfallbehandlung, Textilveredelung, Wäscherei, Nahrungsmittelindustrie

Veröffentlichungen

Schalk T. und Kühn V. (2014). Accumulation of Chemical Oxygen Demand in Membrane Bioreactors at Pilot-Scale and Full-Scale Conditions. J. Environ. Eng., 140 (7) 04014025. (http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0000845)