Membranbioreaktoren (MBRs) für die Abwasserbehandlung

Definition

Membranbioreaktoren (MBRs) sind eine gute Alternative zu herkömmlichen biologischen Behandlungssystemen mit Belebtschlamm zur Abwasserbehandlung.

Dieses System besteht aus einer Modifikation des konventionellen Schlammverfahrens, da es die sekundären Absetzbecken des konventionellen Systems durch Membraneinheiten ersetzt.

Es besteht aus einer Kombination von:

• Bioreaktor: in dem eine konzentrierte Suspension von Mikroorganismen die im Wasser vorhandenen Schadstoffe abbaut.
• Membranfiltrationseinheit (0,01-0,04 µm): die die Biomasse vom gereinigten Wasser trennt.

Membranbioreaktoren bestehen aus mehreren Membranen und einem Bioreaktor. Das Filtrationsmodul kann extern oder intern zum Bioreaktor sein. Der Unterschied besteht darin, dass der Energieverbrauch im externen MBR-System zehnmal höher ist als im internen.

Dennoch haben externe MBRs einige Vorteile gegenüber internen, wie die Möglichkeit, die Membranen in situ zu reinigen, einfachen Zugang zu den Modulen, die Möglichkeit, die Anzahl der Module zu verändern, und die Chance, die Belüftung des Bioreaktors zu optimieren, um maximale Sauerstoffübertragungskoeffizienten zu erreichen.

Es gibt auch eine innovative Konfiguration von MBRs, genannt Air Lift MBR, die aus einem externen MBR besteht, der einen einfachen Zugang zu den Membranen ermöglicht und mit niedrigen Durchflüssen arbeitet. Gleichzeitig besitzt sie die Vorteile eines internen Systems, was einen niedrigen Energieverbrauch (0,5 kWh/m3) bedeutet.

Kurz gesagt, ist das Membranbioreaktorsystem eine Technologie, die mit konventionellen Schlammverfahren konkurrieren kann, da es einen hochwertigen Ablauf ermöglicht und große Gestaltungsflexibilität bietet.

Vorteile

Dieses System eignet sich sowohl für die städtische Abwasserbehandlung als auch für biologisch abbaubares Industrieabwasser. Die meisten Anwendungen dieses Systems finden sich im Lebensmittelsektor, pharmazeutischen und kosmetischen Bereich sowie auf Mülldeponien.

Die Hauptvorteile des MBR-Systems gegenüber Belebtschlamm sind:

• Hochwertiger Ablauf mit geringer Schlammproduktion: arbeitet mit hoher Biomassekonzentration.
• Relativ kleine Anlagen: aufgrund des Fehlens von Absetzbecken.

Weitere zu berücksichtigende Vorteile sind:

• Freiheit zur Prozesssteuerung: ermöglicht die Manipulation der hydraulischen und Biomasse-Verweilzeiten.
• Erhöhte Trennung: bedingt durch die Membrantechnologie.

Nachteile

Das MBR-System hat einen Hauptnachteil gegenüber Belebtschlamm:

• Hohe Kosten für die Vermeidung und Entfernung von Membranverschmutzung: verursacht mehr Verschmutzung als andere Systeme, da das Medium im Vergleich zum konventionellen Schlammverfahren stärker gerührt wird, was zu einer höheren Produktion von EPS führt.

Arten der Verschmutzung

Die Permeabilität von Membranen wird durch die Eigenschaften des Schlamms beeinflusst. Die im Schlamm vorhandenen Zellen können während der Filtration eine Schicht um die Membran bilden und einen Biofilm erzeugen, der die Permeabilität verringert. Dieses Problem kann durch die Ablagerung von Partikeln und die Adsorption kolloidaler Materialien verschärft werden.

Biologische Faktoren wie das Vorhandensein von Nährstoffen, das Alter des Schlamms und der Grad der Rührung beeinflussen die Produktion von extrazellulären polymeren Substanzen, die für die Verschmutzung verantwortlich sind.

Jede Art von Verschmutzung tritt zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf. Während der Filtration ist der Anstieg des Transmembrandrucks hauptsächlich auf die Bildung eines Cakes zurückzuführen, der die Membran verstopft. Je nachdem, wann die Verschmutzung auftritt, unterscheidet man folgende Typen:

1. Reversibel: Verschmutzung durch den Cake, der die Membran verstopft, kann durch physikalische Reinigung entfernt werden.
2. Irreversibel: Hängt davon ab, wie fest der Schmutz an der Membran haftet. Langfristig reicht die physikalische Reinigung nicht aus, und eine chemische Reinigung ist notwendig, um die Verschmutzung zu entfernen.
3. Irreparabel: Die Verschmutzung kann nicht mehr durch chemische Reinigung entfernt werden, und der allmähliche Anstieg des Transmembrandrucks über Jahre hinweg ist unvermeidlich, was die Lebensdauer der Membran definiert.

Verschmutzungsfaktoren

Das Verständnis der Hauptfaktoren der Membranverschmutzung ist entscheidend für die Umsetzung einer effizienten Betriebsstrategie. Die an der Verschmutzung beteiligten Faktoren lassen sich klassifizieren in:

1. Membraneigenschaften
2. Betriebsbedingungen
3. Eigenschaften der Biomasse

Die Berücksichtigung der Geschwindigkeit und Art der Verschmutzung, die Membranbioreaktoren erfahren, ist entscheidend bei der Wahl dieses Systems zur Abwasserbehandlung.

Diese Faktoren sind von großer Bedeutung, da sie die Betriebs- und Wartungskosten beeinflussen. Daher ist es nützlich, sie zu verstehen, um ihre Auswirkungen zu minimieren.

Darüber hinaus beeinflussen alle Parameter, die bei der Planung und dem Betrieb eines Membranbioreaktors eine Rolle spielen, die Verschmutzung. Tatsächlich sind die drei genannten Faktoren miteinander verknüpft.

Im Folgenden analysieren wir jeden einzelnen, um die Verschmutzung zu reduzieren.

Membraneigenschaften

• Material: Die verschiedenen Materialien, aus denen Membranen hergestellt werden, zeigen unterschiedliche Verschmutzungstendenzen. Organische Membranen verschmutzen leichter als solche aus anorganischen Materialien. Letztere sind zwar widerstandsfähiger und weniger verschmutzungsanfällig, werden aber aufgrund der Kosten selten verwendet.
• Porengröße und -verteilung: Wenn die Partikelgröße kleiner als die Porengröße ist, muss eine Verschmutzung durch Porenverengung berücksichtigt werden. Daher verschmutzen Mikrofiltrationsmembranen schneller als Ultrafiltrationsmembranen.
• Konfiguration: Die Konfiguration der Membran beeinflusst die hydrodynamischen Bedingungen, jedoch nicht die Filtrierbarkeit des Schlamms. Hohlfasermembranen, die häufig in internen MBRs verwendet werden, sind verschmutzungsanfälliger als Rohr- oder Flachmembranen und zeigen auch bei horizontaler Installation stärkere Verschmutzung als bei vertikaler.

Betriebsbedingungen

Wenn Membranbioreaktoren mit konstantem Durchfluss betrieben werden, ist die Verschmutzungsrate niedriger als bei konstantem Transmembrandruck. Obwohl konstanter Durchfluss irreversible Verschmutzung begünstigt, die zu Porenverengung führt.

• Permeatdurchfluss: Dies ist der wichtigste Betriebsparameter, der die Verschmutzung beeinflusst, da ein Betrieb oberhalb des spezifischen oder kritischen Werts zu schneller und irreversibler Verschmutzung führt.
• Querstrom: Eine Erhöhung des Turbulenzgrades durch Querstrom reduziert die Verschmutzung. Zu hohe Querstromgeschwindigkeiten können jedoch die Flockenstruktur schädigen und die Freisetzung löslicher mikrobieller Produkte ins Medium fördern. Bei niedrigen Geschwindigkeiten lagern sich Partikel leichter in den größeren Poren der Mikrofiltrationsmembran ab.
• Belüftung: In Membranbioreaktoren versorgt die Belüftung nicht nur die Biomasse mit Sauerstoff und hält den Belebtschlamm in Suspension, sondern reduziert auch die Verschmutzung durch die kontinuierliche Reibung von Blasen an der Membranoberfläche. Es ist zu beachten, dass zu intensive Belüftung die Flockenstruktur schädigen und die Freisetzung löslicher mikrobieller Produkte fördern kann.
• Zellverweilzeit (CRT): Hohe CRTs bedeuten niedrige Permeatdurchflüsse und wenig Verschmutzung, während niedrige CRTs zu erhöhtem Permeatdurchfluss und höherer Konzentration gelöster Feststoffe im Medium führen, was mehr Verschmutzung verursacht. Die Veränderung dieses Parameters bewirkt Schwankungen in der Verschmutzung, da er mit anderen Parametern verknüpft ist.
  • Zellverweilzeiten (CRT): Auch dieser Parameter ist mit anderen Faktoren verbunden, was die Bestimmung seiner direkten Auswirkung auf die Verschmutzung erschwert. Sowohl CRT als auch CRT beeinflussen andere Faktoren, die direkt mit Verschmutzung zusammenhängen. Wie bei CRT gilt: Je niedriger der CRT, desto mehr Verschmutzung. Ein zu hoher CRT führt jedoch ebenfalls zu erhöhter Verschmutzung, weshalb ein optimaler CRT zwischen 20 und 50 Tagen berechnet wird.
  • Störungen im stationären Zustand: Änderungen wie Schwankungen der Durchflussrate, der Zusammensetzung des zu behandelnden Wassers und Temperaturänderungen sind Faktoren, die die Membranverschmutzung beeinflussen. Kurz gesagt, jeder Nicht-Stationärzustand erhöht die Verschmutzung.

Eigenschaften des Mediums

• Größenverteilung: Die Größe der im Flüssigkeitsmedium vorhandenen Partikel spielt eine wichtige Rolle bei der Verschmutzung. Schwebstoffe (Flocken und gebundene extrazelluläre polymere Substanzen) sind weniger bedeutend für die Verschmutzung als Kolloide und gelöste Stoffe (lösliche mikrobielle Produkte).
• Viskosität: Die Viskosität, die mit Temperatur und Feststoffkonzentration zusammenhängt, beeinflusst ebenfalls die Membranverschmutzung und verändert die Hydrodynamik des Mediums und die Belüftung. Erhöht sich die Feststoffkonzentration auf einen kritischen Wert, steigt die Viskosität exponentiell an, und die Verschmutzung nimmt ebenfalls zu.
• Temperatur: Der Einsatz niedriger Temperaturen führt zu stärkerer Verschmutzung, da die Viskosität steigt, die Flockenbildung intensiviert wird und der biologische Abbau reduziert ist.
• Gelöster Sauerstoff: Hohe Sauerstoffkonzentrationen sind üblicherweise mit geringerer Verschmutzungsneigung verbunden.
• Flockeneigenschaften: Weniger hydrophobe Flocken verursachen tendenziell weniger Verschmutzung auf der Membranoberfläche. Allerdings sind weniger hydrophobe Flocken anfälliger für Zersetzung, was den Filtrationswiderstand des Cakes erhöht.
• Gebundene extrazelluläre polymere Substanzen (BEPS): BEPS (Baustoffe mikrobieller Aggregate) sind die Hauptbestandteile der Flocken und spielen eine entscheidende Rolle bei der Verschmutzung. Es besteht eine direkte Beziehung zwischen BEPS und dem spezifischen Widerstand des Filtrationscakes, jedoch kann BEPS nicht isoliert als Ursache der Verschmutzung betrachtet werden, da es mit vielen Faktoren zusammenhängt. Dieser Faktor kann nicht direkt kontrolliert werden, daher müssen andere Faktoren reguliert werden, um die Verschmutzung zu minimieren. Besonders hervorzuheben ist CRT, das einen optimalen Wert für minimale BEPS-Produktion und zur Minderung der Verschmutzung hat.
• Lösliche mikrobielle Produkte (SMP): Diese Gruppe umfasst lösliche oder kolloidale Biopolymere zellulären Ursprungs. Während der Filtration adsorbieren SMP innerhalb der Membranen, verstopfen die Poren und bilden eine gelartige Struktur auf der Membranoberfläche. SMP und Flockengröße sind die beiden Aspekte, die die Verschmutzung am stärksten beeinflussen. Derzeit gibt es keine feste Methode zur Bestimmung ihrer Konzentration. Wie bei BEPS spielt CRT eine fundamentale Rolle bezüglich der Verschmutzung. Mit zunehmendem CRT nehmen BEPS, EPS und SMP ab. Es wurde auch beobachtet, dass SMP durch Minimierung der gelösten Sauerstoff- und Nitratkonzentrationen im Medium abnimmt.

Techniken zur Verschmutzungskontrolle

Membranverschmutzung ist ein Phänomen, das den Betrieb und die Wartung von Filtrationssystemen beeinflusst, da es die Lebensdauer der Membranen begrenzt. Techniken zur Minimierung der Verschmutzung zielen auch darauf ab, die Eigenschaften der Membran, die Betriebsbedingungen und die Biomasseeigenschaften zu optimieren. Diese Techniken ersetzen jedoch nicht die Notwendigkeit regelmäßiger physikalischer und chemischer Membranreinigungen.

Daher ist die Verschmutzungskontrolle ein wesentlicher Aspekt bei der Planung und Nutzung von Membranbioreaktoren. Die notwendigen Maßnahmen zur Kontrolle der Verschmutzungsrate sind:

• Regelmäßige Membranreinigungen durchführen.
• Die Eigenschaften der Biomasse verändern.
• Betriebsparameter optimieren.

Die Membranreinigung ist die einfachste Methode zur Kontrolle der Verschmutzung. Die Reinigung kann physikalisch (mechanische Methoden) oder chemisch (mit einem Oxidationsmittel) erfolgen. Physikalische Reinigung ist einfacher als chemische und schont die Membran, da keine Chemikalien eingesetzt werden. Allerdings ist diese Art der physikalischen Reinigung weniger effektiv, da sie nur reversible Verschmutzungen entfernt, während chemische Reinigung auch irreversible Verschmutzungen beseitigt.

Physikalische Membranreinigung kann auf zwei Arten erfolgen: durch Unterbrechung des Permeatflusses (Relaxation) oder durch Umkehrung der Permeatflussrichtung (Rückspülung). Die Rückspülung ist in das Design unserer MBRs als Strategie zur Behebung von Verschmutzungen integriert.

Diese Methode entfernt den Großteil der Verschmutzung durch Porenverstopfung und einen Teil der durch den Filtrationscake verursachten Verschmutzung. Um Verschmutzung zu minimieren und gleichzeitig Energie zu sparen, sind Frequenz, Dauer und Intensität der Rückspülung zu berücksichtigen. Weniger häufige, aber längere Rückspülungen sind effizienter als kürzere, häufigere.

Luft kann ebenfalls bei der Rückspülung eingesetzt werden, um den Permeatfluss zu erhöhen, erfordert jedoch längere und häufigere Intervalle und kann die Membranintegrität beeinträchtigen. Membranrelaxation, also diskontinuierliche Filtration, kann ebenfalls angewandt werden. Obwohl die Verschmutzungsrate bei kontinuierlicher Filtration höher ist, ermöglicht Relaxation eine Verlängerung der Filtrationsperiode und verzögert die Notwendigkeit der Reinigung.

Derzeit besteht ein Trend, diskontinuierliche Filtration mit Rückspülung zu kombinieren, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Relaxation ohne Rückspülung führt zu einer langsamen Ansammlung von Schmutz, erhält jedoch den Biofilm der Membran. Dieser Biofilm ist selektiver als die Membran selbst und kann vorteilhaft sein, solange der Widerstand nicht zu hoch wird.

Chemische Reinigung muss hingegen regelmäßig durchgeführt werden, um die physikalische Reinigung zu ergänzen und irreversible Verschmutzungen zu entfernen. Man unterscheidet verschiedene Intensitätsstufen:

• Chemische Rückspülung (täglich)
• Wartungsreinigung (wöchentlich)
• Intensivreinigung (halbjährlich)

Vorbeugende Maßnahmen:

• Verbesserung der Anti-Fouling-Eigenschaften der Membran: hochporös und hydrophil.
• Optimierung der Betriebsbedingungen: Kontrolle der Betriebsvariablen (CRT, CRT, Permeatfluss, Belüftung, Querstrom) zur Begrenzung der Verschmutzung durch folgende Methoden: Rückkopplungskontrollsysteme, Reduzierung des Permeatflusses, Erhöhung der Belüftung (ohne kritische Werte zu erreichen), Vorbehandlung des zu behandelnden Wassers.
• Vorbereitung der Biomasse zur Verringerung der Verschmutzungskapazität: biochemische Anpassung der Biomasseeigenschaften durch Steuerung der Zellverweilzeit (CRT) oder chemisch (durch Zugabe von Flockungsmitteln, Koagulanten und Adsorbentien).

Zusammenfassend ist die Kontrolle der Verschmutzung entscheidend für den optimalen Betrieb von Membranbioreaktoren, weshalb regelmäßige Reinigungen notwendig sind.

Fazit

Unter Berücksichtigung der drei Hauptfaktoren, von denen die Verschmutzung in MBRs abhängt, sollte die geeignetste Membran eine hydrophile Oberfläche mit kleiner und gleichmäßiger Porengröße besitzen. Sie sollte bei moderaten Permeatdurchflüssen betrieben werden, mit Belüftung und einer Querstromgeschwindigkeit von 0,5 bis 3 m/s.

Hohe CRTs und CRTs von 20 bis 50 Tagen sind ebenfalls erforderlich. Temperaturen von 25 bis 30 ºC und gelöste Sauerstoffkonzentrationen von 1-2 ppm sollten eingehalten werden. Zusammenfassend sollten Stresssituationen für die Biomasse vermieden werden, die zu hohen Konzentrationen von BEPS und SMP im Medium führen.