Lösung mit „Bestand“

Selbstheilende Membranen im Klärwerksbetrieb

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10.02.2014 Die Natur macht es uns vor: sämtliche Lebewesen entwickelten während der Evolution Strategien, durch Selbstheilung erlangten Schaden zu beheben. Verletzt sich ein Mensch oder ein Säugetier, eilen Blutplättchen zur Wunde und verschließen sie. Technische Produkte können dies in der Regel nicht. Im Fall von Schäden muss der Anwender nachhelfen und Teile oder ganze Baugruppen austauschen. Doch der Mensch kann viel von der Natur lernen und mit diesem Wissen die Technik weiterentwickeln. Wieso sollte es nicht möglich sein, dass sich technische und somit nicht-lebendige Dinge „selbst heilen“? Membranen schaffen das:

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Membranen sind gerade im Klärwerksbereich eine kosten- und platzsparende Alternative, sind jedoch oft empfindlich und können leicht Schaden nehmen.
  • Selbstheilende Membranen sind so aufgebaut, dass die Biomasse selbst sogar große Schäden wie Schnitte oder Löcher verschließt.
  • Spezielle Kunststoffgranulate im Modul reinigen die Membranen mechanisch, sodass der Anwender auf Chemikalien verzichten kann und der Energiebedarf sinkt.
Mehr Infos zu Bio-Cel und MCP finden Sie hier.

Die Membrantechnik hat sich in den letzten Jahren in allen Industrien immer mehr etabliert, so auch in den Klärwerken. Membran-Bio-Reaktoren, kurz MBR, setzten sich durch und erreichen verbesserte Ablaufwerte sowie konstante Ablaufqualität bei geringerem Platzbedarf als herkömmliche Anlagen. Sie erfüllen die hygienischen Anforderungen gemäß EU Badegewässerrichtlinie sowie California Title 22 und ersetzen das flächenintensive Nachklärbecken. Da sie auch bei höheren Biomassekonzentrationen arbeiten, reduzieren sie das Belebungsvolumen. Das eigentliche Reinigen des Abwassers erfolgt durch die eingebrachte Biomasse. Beim MBR-Verfahren separiert eine Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran diese Biomasse vom Permeat.

Membrantechnik nun auch für raue Bedingungen
Aber genau diese Membranen gelten als wenig robust und sehr empfindlich. Ihre mechanische und chemische Beständigkeit ist gering. Aufgrund von Fouling und Scaling muss der Werksbetreiber die Anlagen aufwändig reinigen. Zusätzlich sei der Energiebedarf deutlich höher als bei konventioneller Klärtechnik. Es stellt sich somit die Frage, ob die Membrantechnik auch für „raue“ Anwendungen eine Lösung mit Bestand ist, die sich wirtschaftlich darstellen lässt.
MBR-Module gibt es in Form von Hohlfaser- und Plattenmodulen. Bei Hohlfasermodulen zieht ein Unterdruck das Permeat in die hohle Faser. Kommt es zum Faserbruch durch mechanische Beschädigungen, gelangt unmittelbar Biomasse in das Permeat. Bei einem Plattenmodul ist eine Flachmembran mittels schweißen oder kleben an den Rändern auf einer Kunststoffplatte fixiert. Auch hier führt ein mechanischer Schaden, sei es ein Loch in der Membran oder eine undichte Stelle an der Schweiß- oder Klebestelle, dazu, dass Biomasse das Permeat verunreinigt.
Membranmodule sind über viele Jahre in Kläranlagen im Einsatz. Daher sind derartige Schäden durch Fremdkörper nie auszuschließen. Zwar sind Membranen an sich „verletzlich“, jedoch kann eine entsprechende Modulkonstruktion ermöglichen, dass eine oberflächliche Beschädigung der Membran nicht zu einem ernsthaften Problem wird.

Der Selbstheilungseffekt
Für das Bio-Cel Modul wurde nun ein Weg gefunden, dieses Problem zu lösen. Statt die Membran von beiden Seiten auf einer Trägerplatte zu befestigen, ist sie von zwei Seiten auf ein Abstandsgewirk laminiert. Aus dem entstandenen Laminat werden anschließend „Taschen“ zugeschnitten, welche dann an den Rändern verschweißt werden. Abgesaugt wird das klare Filtrat über eine Öffnung in der Mitte.
Erfährt die Membran Schäden, ermöglicht das Abstandsgewirk im Kern des Laminats, dass die im System befindliche Biomasse die beschädigte Stelle verschließt. Bakterien und Feststoffe können das Membranmodul nicht passieren. Laborversuche haben gezeigt, dass auch unter ungünstigsten Bedingungen oberflächliche Beschädigungen der Membran in weniger als zwei Minuten „verheilen“.

Mechanisches Reinigungssystem verzögert Fouling und Scaling
Neben der Gefahr von undichten Stellen, gehören Membranfouling und Scaling zu den ungelösten Problemen bei getauchten Membrananlagen. Um dieses Problem zu reduzieren, wurde ein prozessintegriertes mechanisches Reinigungssystem, kurz MCP (Mechanical Cleaning Process) entwickelt.
Dieses Verfahren reduziert die Deckschichtbildung. Die Crossflow-Belüftung und der Einsatz von inerten, organischen Materialien, dem MCP-Granulat, unterstützt das Abreinigen. Das Kunststoffgranulat befindet sich direkt im Belebtschlamm. Durch die modulintegrierte Belüftung wird das MCP-Granulat zwischen den Membrantaschen mit der induzierten Strömung aufwärts transportiert. Das aufsteigende Granulat reinigt die Membranfläche durch den direkten Kontakt kontinuierlich und die während des Filtrationsprozesses gebildete Deckschicht löst sich. Außerhalb der Membranmodule befindet sich der Abströmungsbereich, in dem das Granulat mit der Strömung absinkt und am Modulfuß wieder in den Aufwärtsstrom eintritt. Die MCP-Granulate sind für den dauerhaften Einsatz dimensioniert. Geeignete Abtrennsysteme halten sie in den Becken zurück, sodass sie im System verbleiben.
Diese mechanische Reinigung ist nur zusammen mit Bio-Cel Modulen möglich, da andere Modulformen nicht die nötigen konstruktiven und hydraulischen Voraussetzungen für ein solches Verfahren erfüllen. Langzeituntersuchungen haben gezeigt, dass dadurch der chemikalienfreie Betrieb möglich ist. Die Effizienz und Verlässlichkeit des MCP-Verfahrens ist bereits bestätigt: Großtechnische Anwendungen sind seit mehreren Jahren erfolgreich im Dauerbetrieb.

Energiekosten reduzieren
Kritiker argumentieren oft, dass MBR Anlagen neben der schwierigen Reinigung viel Energie verbrauchen und daher teuer im Hinblick auf die Betriebskosten seien. Die Energie würde für die zusätzliche Belüftung für den Crossflow (Überströmung) an der Membran benötigt.
Dies lässt sich durch direkten Einbau der Module in die Belebung und eine feinblasige Belüftung unter den Modulen weitgehend vermeiden. Die Belüftung sorgt für einen guten Sauerstoffübergang in das Wasser, sodass der Luftstrom die Membran reinigt und gleichzeitig der Biologie zum Veratmen zur Verfügung steht.
Zusätzlich spart das mechanische Reinigungssystem Energie: Mit dem MCP System sind höhere spezifische Flüsse möglich als in konventionellen Verfahren, was den Energiebedarf minimiert. Zudem sinken die Investitionskosten, da sich durch den höheren Transmembran-Fluss die erforderliche Membranfläche reduziert. Damit wiederum ist der Investitionsbedarf geringer und der Energieverbrauch (Crossflow) des Gesamtsystems sinkt. Rechnungen einer Modellkläranlage für 10.000 EW (2.000 m³/d) haben gezeigt, dass die Kosten pro Jahr um knapp 30% sinken können.

Heftausgabe: Februar 2014

Über den Autor

Wolfgang Schöne, Sales Manager Chemical Industry und Specialist Beverages bei Microdyn Nadir
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