-
3 Anwendungsgebiet
-
Der
hier beschriebene halophile Schwachlast-MBR dient als Vorbehandlungsschritt
vor der Entsalzung von Meer- oder Brackwasser mittels Umkehrosmose.
-
4 Stand der Technik
-
4.1 Grundlagen zur Entsalzung
mittel Umkehrosmose
-
In
vielen Teilen der Erde ist die Versorgung der Bewohner mit Trinkwasser
konstanter Qualität
und Menge äußerst problematisch.
Für den
Menschen geeignetes Trinkwasser, das Süßwasser, sollte einen maximalen
Salzgehalt von 0,2% aufweisen. Besonders in ariden Gebieten ist
die Gewinnung von natürlichem Trinkwasser
häufig
sehr aufwendig, da dort, wenn überhaupt,
in ausreichenden Mengen nur salzhaltige Rohwässer vorliegen, die sich zur
Trinkwassergewinnung eignen. Diese Rohwässer mit Salzgehalten zwischen
1,0 und 5,0 mg/l können
nur mit erheblichem technischen und finanziellen Aufwand zu Trinkwasser
aufbereitet werden. Weltweit werden rund 36 Milliarden Kubikmeter
Trinkwasser jährlich
aus Meerwasser erzeugt (Stand 2005).
-
In
vielen Gebieten der Erde können
RO-Membrananlagen (RO = Reverse Osmosis = Umkehrosmose) mit den
herkömmlichen
Verfahren zur Trinkwassergewinnung konkurrieren. In Gegenden, wo
lange Transportwege oder komplizierte Gewinnungsmethoden Trinkwasser
teuer machen, werden Membranverfahren schon seit einigen Jahren
mit Erfolg eingesetzt. 42% der derzeitigen weltweiten Anlagenkapazität für die Entsalzung von
Wasser werden durch Membranverfahren gestellt. Aufgrund der vielen
Vorteile dieser Verfahren ist zu erwarten, dass der Anteil der Membranverfahren
an der Trinkwassergewinnung aus salzhaltigem Wasser weiter steigen
wird.
-
Das
RO-Verfahren zeichnet sich im Vergleich zu thermischen Verfahren
(Destillation) zwar durch geringere Investitionskosten und einen
niedrigeren Energiebedarf aus, es ist aber nach wie vor mit dem
Risiko hoher Wartungs- und Instandhaltungskosten behaftet. Aus diesem
Grund kommt für
einen sicheren und stabilen Betrieb von Entsalzungsanlagen mittels
Umkehrosmose der Vorbehandlung des Rohwassers eine entscheidende
Bedeutung zu. Dabei müssen
die dazu eingesetzten Verfahrensschritte möglichst alle Stoffe und Substanzen
stabilisieren, reduzieren oder entfernen, die den dauerhaft stabilen
Betrieb der RO-Membranen stören
können.
Einen wichtigen Aspekt stellt dabei das so genannte Fouling (deutsche Übersetzung:
Verschmutzung) der Membranen dar. Zum einen lagern sich organische
Inhaltstoffe im Rohwasser auf der Membranoberfläche an, was zu einer sinkenden
Filtrationsleistung der Membranen, bzw. zu steigenden Energiekosten
zur Aufrechterhaltung des Filtrationsprozesses führt. Zum anderen stellen organische
Stoffe die Nahrungsgrundlage für
Mikroorganismen, die sich auf den Membranen ansiedeln und ebenfalls
zu einer Abnahme der Filtrationsleistung führen. In diesem Fall spricht
man von Biofouling.
-
Um
den Foulingeffekten entgegenzuwirken, müssen RO-Module regelmäßig chemisch
gereinigt werden. Die Häufigkeit
und Intensität
der durchzuführenden
Reinigungen ist dabei sehr stark von der Rohabwasserqualität bzw. der
Qualität
der durchgeführten
Vorbehandlung abhängig
und können
einen erheblichen Kostenfaktor bei der Aufbereitung darstellen.
Als Faktoren sind hierbei der Personal- und Chemikalienbedarf, die Ausfallzeiten
der Membranstufe während
der Reinigung sowie die erhöhte
chemische Beanspruchungen des Membranmaterials und die damit einhergehende
Standzeitverkürzung
der Modu le zurückzuführen. Entsprechend
kommt der Minimierung der Foulingeffekte auf den RO-Modulen eine entscheidende
Bedeutung zu, die nur durch eine geeignete Vorbehandlung gewährleistet
werden kann. Bislang werden dazu Verfahren wie Oxidation, Fällung/Flockung
und (Membran-)Filtration eingesetzt. Oftmals kommen auch Kombinationen
der genannten Verfahren zum Einsatz, um die gewünschte Wasserqualität für die RO-Aufbereitung
zu erzielen.
-
4.2 Beschreibung klassischer
Vorbehandlungsverfahren
-
4.2.1 Chemische Vorbehandlungsverfahren
-
Chemischen
Vorbehandlungsverfahren neutralisieren und reduzieren chemische
Reaktionsmittel betriebsstörende
Substanzen und verbessern somit die Rohwasserqualität. Zur chemischen
Vorbehandlung gehören
folgende Prozesse:
- • Zugabe von Anti-Scaling-Substanzen,
Enthärtung
- • Desinfektion,
- • Koagulation,
- • pH
Einstellung,
- • Entfernung
der eingesetzten Oxidationsmittel.
-
Die
Zugabe von Inhibitoren verhindert oder verzögert die Ausfällung von
z.B. Kalziumkarbonat. Bei der Trinkwassergewinnung aus geothermalen
Quellen, wo solche Fällungsprozesse
problematisch sind, werden dem Rohwasser z.B. „Natriumtripolyphosphate" oder „Natriumpolyacrylate" zugegeben.
-
Als
Alternative bieten sich andere Verfahren ohne Einsatz von Chemikalien
an, welche durch die sogenannte „Seeding" oder „Desupersaturation" Technik gezielt
Substanzen ausfällen.
In diesen noch nicht etablierten Verfahren wird durch Keimbildung
ein Wachstum der Salze gefördert.
Diese dann ausgefallenen Substanzen werden anschließend in
Sedimentationskammern aus dem Wasser entfernt.
-
4.2.2 Physikalische Vorbehandlungsverfahren
-
Jegliche
Arten von Filtrationsprozessen fallen unter die pysikalischen Vorbehandlungs verfahren.
In Verbindung mit einer Filtrationsstufe werden üblicherweise verschiedene Fällungs-
und Flockungsmittel wie z.B. Eisenchlorid oder Polymere zur Entfernung
von kolloidal und partikulär
gelösten
Wasserinhaltsstoffen eingesetzt. Filtrationsverfahren entsprechen
dem heutigen Stand der Technik und werden in vielfältigen Bereichen
eingesetzt. Durch Grobfiltration, Sandfiltration und Membranfiltration
können
suspendierte Partikel bis zu einer Größe von ca. 0,01 μm zuverlässig zurückgehalten
werden. Grobfiltrationen werden in nahezu jeder Wasseraufbereitung
verwendet. Große
Partikel, welche Schäden
an den Anlagen verursachen können,
wie z.B. Muscheln, werden durch Siebe und Roste entfernt. Mittels
Sandfiltration können
einen Großteil
der suspendierten Partikel in einem Wasserstrom zurückhalten
werden. Der einfache Aufbau und geringe Betriebsaufwand der Sandfiltration
sind entscheidende Vorteile dieses Verfahrens. Der Rückhalt dieser
Filter kann allerdings niemals ausreichend für eine alleinige Vorbehandlung
sein. Üblicherweise
wird daher eine weitere Filtrationsstufe vor der Umkehrosmosestufe
erforderlich.
-
Zu
den am häufigsten
eingesetzten Membranverfahren gehören MF- und UF-Membranen. In Abhängigkeit
der Bauart der Module können
diese Membranen permeatseitigen gespült werden. Durch den Einsatz von
Reinigungschemikalien und Druckluft kann dadurch der Filterkuchen
abgelöst
und der Permeatfluss nahezu vollständig wiederhergestellt werden.
Daher eignen sich diese Membranen auch bei hohen Feststoffgehalten.
Vielfache Untersuchungen haben die besondere Eignung der Membranverfahren
zur Vorbehandlung nachgewiesen. Im direkten Vergleich zu konventionelle
Vorbehandlungsverfahren sind Ultrafiltrationsmembranen hinsichtlich
der Reinigungsleistung deutlich überlegen.
Gute Ergebnisse wurden z.B. durch die zusätzliche Dosierung von Eisenchlorid
oder die Benutzung von Vorfiltern vor der Membranfiltration erzielt.
Bei einem Transmembrandruck von ca. 0,2 bar und einem sehr hohen
Fluss von 95 l/[m2h] wurde ein Permeat mit
einem SDI von 2,2 erreicht.
-
4.2.3 Biologische Vorbehandlungsverfahren
-
Während physikalische
und chemische Vorbehandlungsverfahren beim Betrieb von Umkehrosmoseanlagen
zur Entsalzung weitgehend als etabliert gelten, sind biologische
Vorbehandlungsverfahren großtechnisch
noch nicht umgesetzt worden. Die Vorteile der Nutzung biologischer
Prozesse zur Reduzierung des Foulingpotentials bei Entsalzungs anlagen
sind derzeit Bestandteil der aktuellen Forschung.
-
Durch
den Einsatz von biologischen Prozessen kann der organische Anteil
in schwach belasteten Wasserströmen
mittels aerober und anaerober Verfahren deutlich reduziert werden.
Kolloidales Membranfouling kann durch die Immobilisierung der Partikel
verhindert werden. Biofouling wird in Vorbehandlungsstufen durch
Eliminierung von Nährstoffen
im Rohwasser vermindert. Vorhandenen Mikroorganismen in der RO-Stufe werden
durch die Vorbehandlung essentielle Grundstoffe, welche für das Wachstum
benötigt
werden, entzogen.
-
Biofouling
scheint unterhalb einer BDOC-Rohwasserkonzentration (Bio Degreable
Organic Carbon) von 0,1 mg/l nur noch geringen Einfluss auf die
Leistung einer Umkehrosmosemembran zu haben. Verschiedene Versuche
mittels Biofilter und Sandfiltration wiesen eine Kohlenstoffreduktion
von über
90% nach. Der Gehalt an verfügbaren
biologischen Kohlenstoffen sank, aufgrund der Vorbehandlung von
1,22 mg/l auf 0,12 mg/l. Die nachfolgenden vergleichenden Untersuchungen
zwischen der Versuch- und einer Kontrollmembran wiesen ein deutlich
verringertes Biofouling auf der Versuchsmembran nach.
-
Ein
logischer Schritt in der weiteren Forschung ist die Entwicklung
von biologischen Verfahren, welche organische Nährstoffe in salzhaltigem Wasser
reduzieren könnten.
Diese könnten
als Vorbehandlungsstufen vor einer Entsalzung eingesetzt werden.
-
Visvanathan
hat im Jahre 2002 Versuche zur biologischen Elimination organischer
Meerwasserinhaltstoffe unternommen. Dabei setzte er granulierte
Aktivkohle als Aufwuchskörper
für Mikroorganismen
mit einer nachgeschalteten Mikrofiltration ein (C. Visvanathan;
N. Boothanon et. al.: "Pretratment
of seawater for biodegrable organic contet removal", Elsvier, Desalination,
2002). Diese Methode unterscheidet sich aber grundlegend von dem
hier später
beschriebenen Verfahren, da die Mikroorganismen sessil (an die Aktivkohle
gebunden) und nicht suspendiert eingesetzt werden. Darüber hinaus
wurde keine Aussage darüber
getroffen, in welcher Größenordnung
organische Wasserinhaltstoffe an die eingesetzte Aktivhohle adsorbiert
wurden.
-
5 Nachteile des Standes
der Technik
-
Neben
einer begrenzten Leistung der klassischen Vorbehandlungsverfahren
in Bezug auf die Elimination bioverfügbarer organischer Verbindungen,
die zum Biofouling beitra gen können,
sind alle beschriebenen Verfahren energie- und/oder betriebsmittelintensiv.
Je nach Anlagengröße machen
die Vorbehandlungsmaßnamen
bis zu 50% der Gesamtbetriebskosten aus.
-
Die
häufig
eingesetzte Desinfektion und die Zugabe von Bioziden sollen das
Wachstum von Mikroorganismen verhindern oder hemmen. Viele Ergebnisse
sprechen allerdings dafür,
das dass Wachstum der Mikroorganismen dauerhaft nicht durch Biozide
verhindert werden kann. Gegenteilige Effekte treten sogar beim Einsatz
von Chlor bei hohen Kohlenstoffkonzentrationen auf. Durch das Chlor
können
biologisch nicht verfügbarer
Kohlenstoff den Mikroorganismen zugänglich gemacht werden. Den überlebenden
Mikroorganismen wird dadurch ein erhöhtes Nahrungsangebot zur Verfügung gestellt.
Da Chlor außerdem
für viele
Membranen schädlich
ist, muss es vor dem auftreffen auf die Membran wieder entfernt
werden. Dies wird durch die nachträgliche Zugabe von Natriumbisulfit
gewährleistet.
-
6 Aufgabe der Erfindung
-
Die
hier vorgestellte Erfindung stellt eine Alternative zu den bisherigen
Vorbehandlungsverfahren in Kombination mit einer Umkehrosmosestufe
zur Aufbereitung salzhaltiger Rohwässer dar. Die Besonderheit des
Verfahrens wird im folgenden Text weiter erläutert.
-
6.1 Verfahrensprinzip
und Abgrenzung gegenüber
bestehenden Verfahren
-
In
der Abwasserreinigung werden Membranverfahren seit einigen Jahren
verstärkt
eingesetzt. In der industriellen wie auch kommunalen Abwasserreinigung
kommt dabei das so genannte Membranbelebungsverfahren zum Einsatz,
was eine Verfahrenskombination aus biologischer Behandlung und der
Membrantechnik darstellt. Dabei dienen Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen
zur Abtrennung des Belebtschlamms vom gereinigten Abwasser und ersetzen
so die sonst übliche
Nachklärung.
Dabei kann die Membranstufe entweder im Belebungsbecken integriert
oder in einem nachgeschalteten Becken angeordnet sein. Diese Verfahrenskombination
wird auch Membranbioreaktor (MBR) genannt. Die Trenngrenzen der
Membranen sichern dabei einen weitgehenden Rückhalt aller Feststoffe, Bakterien
und Viren. Dies ermöglicht
die Einhaltung weitergehender Anforde rungen an den Kläranlagenablauf
hinsichtlich hygienischer Parameter, wie sie zum Beispiel durch
die EU-Badegewässerrichtlinie
gestellt werden. Der Einsatz von Membranbioreaktoren zur Behandlung
industrieller Abwasserströme
eröffnet
oftmals auch die Möglichkeit
zum Recycling des Wassers. Dabei werden häufig zusätzliche weitere Aufbereitungsschritte
wir z.B. Nanofiltration oder Umkehrosmose eingesetzt. Allerdings liegt
bei diesen Anwendungen die organische Belastung des Abwassers deutlich über der
von Meer- oder Brackwasser. Vorteile des MBR-Verfahrens sind der
feststofffreie Ablauf und damit eine hervorragende Ablaufqualität und der
geringere Raumbedarf im Gegensatz zur herkömmlichen Technik. Als Nachteile
gelten die bislang etwas höheren
Betriebskosten, die überwiegend
durch die verfahrensbedingt erforderliche Belüftung der Membranen anfallen.
-
Im
nachfolgend beschriebenen Verfahren wird ein Membranbioreaktor auf
die Behandlung schwach organisch belasteter, salzhaltiger Wässer adaptiert,
womit diese Anwendung sich grundlegend vom bisherigen Stand der
Technik unterscheidet. Vorraussetzung hierfür ist die Ausbildung einer
speziellen Mikroorganismenpopulation (halophile Mikroorganismen),
die auch bei hohen Salzkonzentrationen des zufließenden Wassers in
der Lage ist, Abwasserinhaltsstoffe zu verstoffwechseln.
-
Aufgrund
des vollständigen
Biomasserückhalts
durch die Membranmodule lassen sich unter anderem geringe Durchflusszeiten
im Bioreaktor bzw. hohe hydraulische Belastungen sowie geringe Schlammbelastungen
realisieren. Bei Anwendung des Verfahrens zur Vorbehandlung von
Brack- bzw. Meerwasser können
diese Vorteile genutzt werden. Neben den für „normale" Süßwasserbiozönosen hemmenden
Salzgehalten liegen die Konzentrationen der als CSB (Chemischer
Sauerstoffbedarf) oder TOC (Total Organic Carbon) bestimmten organischen
Inhaltstoffe ca. um den Faktor 40 niedriger, als bei der herkömmlichen
Anwendungen, wie z.B. der kommunalen Abwasserreinigung. Zur Erläuterung
des Verfahrens sollte erwähnt
werden, dass im Ablauf dieses Reaktors immer noch die im Rohwasser
enthaltenen Salze vorhanden sind, die erst durch nachgeschaltete RO-Membranen entfernt
werden. Gegenüber
bestehenden Vorbehandlungssystemen werden dabei die in Tabelle 6-1
aufgeführten
Vorteile gesehen, die eine wirtschaftliche Alternative zu den bestehenden
Verfahren darstellt und sich vor allem positiv auf den Betrieb und
die Wirtschaftlichkeit der nachfolgenden Aufbereitung auswirkt.
-
Tabelle
6-1 Vorteile des halophilen MBR gegenüber bestehenden Vorbehandlungsverfahren
-
Der
Einsatz des beschriebenen Verfahrens zur Vorbehandlung von Rohwässern bei
späterer
Entsalzung mittels Umkehrosmose bietet also prinzipiell zwei entscheidende
Vorteile in einem Verfahrensschritt:
- 1. Wasserinhaltstoffe,
die auf den RO-Membranen zu einem Biofouling führen würden, werden kontrolliert von
der im MBR suspendierten Biomasse weitestgehend eliminiert.
- 2. Partikuläre
und kolloidal gelöste
Wasserinhaltstoffe werden durch die im MBR eingesetzten Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen
von den RO-Membranen ferngehalten, wodurch einer Verblockung vorgebeugt wird.
-
Beide
Aspekte erhöhen
die Standzeiten der RO-Membranen und reduzieren den Wartungs- und
Reinigungsaufwand.
-
Der
Betrieb eines halophilen Schwachlast MBR erfolgt so, dass die adaptierte
halophile Biozönose
optimale Abbauraten erzielt, wodurch sich bezüglich Prozessgestaltung und
-parameter das hier vorgestellte Verfahren grundlegend von bisherigen
industriellen und kommunalen MBR-Anwendungen unterscheidet.
-
6.2 Vorversuche
-
Im
Rahmen eines vom Ministerium für
Wissenschaft und Forschung NRW am Institut für Siedlungswasserwirtschaft
der RWTH Aachen durchgeführten
Forschungsvorhabens wurde zwischen Oktober 2005 und Januar 2006
ein Membranbioreaktor mit halophiler Biomasse betrieben. Ziel dabei
war die Reduzierung der foulingbildenden Inhaltstoffe eines synthetisch
hergestellten Brackwassers. Die Bestimmung und Bewertung des Foulingpotentials
erfolgte in Zu- und Ablauf des MBR, z.B. über die Parameter AOC (As similable
Organic Compounds), TOC und CSB. Dabei konnte gezeigt werden, dass
eine effektive Verminderung auch einer geringen organischen Belastung
in salzhaltigen Wässern
durch Einsatz eines Membranbioreaktors prinzipiell möglich ist.
Allerdings wurden Hinweise ausgemacht, nach denen sich die Zusammensetzung
der Salze im Rohwasser, insbesondere die Phosphat- und Calciumkonzentrationen,
empfindlich auf die Aktivität
der Mikroorganismen auswirkt. Dieser Umstand soll während weitere
folgender Versuchsphasen bestätigt
werden. Eine weitergehende detaillierte Untersuchung dieser Einflüsse wird
in einem Folgeprojekt untersucht werden. Zur Beschreibung der Einflussfaktoren
auf die sich einstellende Biozönose
und Optimierung des Betriebs und der Prozessführung sind eine Isolierung
und Charakterisierung halophiler und halotoleranter Bakterien und
Archaeen sowie physiologische und biochemische Charakterisierungen
geplant. Ziel ist es, bestimmte Konzentrationsbereiche für die enthaltenen
Salze und organischen Inhaltstoffe eines Rohwasser nennen zu können, in
denen eine Vorbehandlung mittels Membranbioreaktor möglich ist.
Des Weiteren werden weitergehende Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen
durchgeführt.
Erste Literaturrecherchen zu diesem Thema zeigen, dass ein großtechnischer
Einsatz der beschriebenen Technologie als Alternative zu herkömmlichen
Vorbehandlungsverfahren hinsichtlich Betriebskosten und Aufwand
durchaus vorteilhaft sein kann.
-
Nach
Abschluss der Vorversuche lässt
sich also feststellen, dass die beschriebene Verfahrenstechnik ein
Anwendungspotential als Vorbehandlungsmaßnahme bei der Trink- oder Reinstwassergewinnung
mittels Umkehrosmose besitzt. Die möglichen Einsatzgebiete hinsichtlich
der vorliegenden Rohwasserzusammensetzung, bei der ein stabiler
und effektiver Betrieb des MBR möglich
wird, sind in weiteren Versuchen noch zu ermitteln.
-
6.3 Anwendungsgebiete
-
Folgende
prinzipielle Einsatzgebiete des halophilen MBR werden avisiert:
- – Einsatz
zur Vorbehandlung von organisch schwach belastetem Brack- oder Meerwasser
zur Verringerung des Fouling-Potentials in der nachfolgenden Aufbereitungs-
bzw. Behandlungsstufe (z.B. Umkehrosmose).
- – Einsatz
zur Reinigung stark salzhaltiger aber organisch schwach belasteter
industrieller Abwässer
zum Wiedereinsatz im Produktionsprozess.
- – Einsatz
zur Reinigung von Konzentraten, die z.B. bei der Nanofiltration
bzw. Umkehr osmose anfallen.
-
Daneben
wären die
folgenden Einsatzgebiete eines schwach belasteten nicht halophilen
MBR als Vorbehandlungsstufe denkbar:
- – Einsatz
zur Vorbehandlung von Flusswasser beim Kraftwerksbetrieb für den vollentsalztes
Wasser benötigt
wird.
- – Einsatz
zur Vorbehandlung von Süßwasser
für Produktionsprozesse,
bei denen vollentsalztes Wasser benötigt wird.
