Diplomprüfung: 07/2001
Dipl. Marcel Besner
Dipl. Jens Kiel
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die konventionelle kommunale Abwasserbehandlung mit einem Rotationsmembranverfahren unter besonderer Berücksichtigung des Energieverbrauchs verglichen. Bei diesem Verfahren handelt es sich um das Vakuumrotationsmembranverfahren (VRM), das von Dr. Weßling Beratende Ingenieure GmbH und der Martin Systems AG gemeinsam entwickelt wurde. Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Überströmungsgeschwindigkeiten an den Membranoberflächen aus, die bei bekannten Membranverfahren mit fest installierten Membranen nicht erreicht werden konnten.
Ziel der Arbeit war es, die Frage zu beantworten, ob eine Rotationsmembrananlage mit einer konventionellen kommunalen Kläranlage sowohl in Hinblick auf die Reinigungsleistung als auch auf den Energiebedarf konkurrieren kann.
Hierzu standen zwei VRM-Versuchsanlagen von unterschiedlicher hydraulischer Kapazität zur Verfügung, an denen die nötigen Untersuchungen durchgeführt wurden. VRM I hatte eine Auslegungsgröße von 100 EW, der Upscale VRM II hat eine Auslegungsgröße von 1.000 EW. Zum Vergleich wurde die Kläranlage
VRM II wurde im März 2001 ebenfalls mit Belebtschlamm der Kläranlage in Betrieb genommen. Aufgrund der Erfahrungen, die im Betrieb der VRM I gesammelt wurden, konnten schon einige Optimierungsansätze im Bereich der Belüftungs- und Spülaggregate baulich umgesetzt werden. Auch bei dieser Anlage wurden Schmutzkonzentrationen in Zu- und Ablauf bestimmt, um ihre Reinigungsleistung zu überwachen. Die Untersuchungen zu dieser Diplomarbeit endeten im April 2001. Zu diesem Zeitpunkt war das hydraulische Optimum der Anlage noch nicht erreicht.
Gründe hierfür waren
Der Ablauf der VRM II hatte im Mittel eine CSB-Konzentration von ca. 23 mg/l. Die Abbaurate betrug im Mittel etwa 92 %. Der BSB5 wurde im Mittel zu 98 % abgebaut. Der mittlere Ablaufwert lag hier bei 5 mg/l. Der Phosphatgehalt des Ablaufs der VRM II betrug 7,7 mg/l. Bei der Elimination der Stickstofffracht ergaben sich für die VRM II Ablaufkonzentrationen von 7,3 mg NH4-N/l bzw. 9,4 mg Nges/l.
Mit den erreichten Ablaufwerten konnten beide Anlagen problemlos den Anforderungen an ihre jeweilige Größenklasse genügen.
Mit einer durchschnittlichen Tagesfracht von etwa 3,5 kgBSB5/d hätte VRM I die Auf- lagen für die Größenklasse 1 gemäß Abwasserverordnung - AbwV in der Fassung vom 9.2.99 (BGBl. I S.86), Anhang 1 (Häusliches und kommunales Abwasser) erfüllen müssen. Für diese Klasse sind Schmutzkonzentrationen von 150 mg CSB/l, 40mg BSB5/l vorgeschrieben.
Auch VRM II hätte mit einer mittleren Tagesfracht von 9,4 kg BSB5/d die Einleiterbedingungen für Größenklasse I erfüllen müssen. Hier sind Grenzwerte für den CSB von 150 mg/l bzw. 40 mg/l für den BSB5 einzuhalten. Im Vollastbetrieb wird die VRM II wahrscheinlich die Anforderungen an die Größenklasse 3 zu erfüllen haben. Diese haben Grenzwerte von 90 mg CSB/l, 20mg BSB5/l und 10 mg NH4-N/l einzuhalten.
Betrachtet man die Keimbelastung der VRM-Abläufe, so zeigt sich der größte Vorteil des VRM-Verfahrens gegenüber dem konventionellen Verfahren. Die Keimbelastung im Ablauf der VRM I wurde soweit herabgesetzt, dass das Wasser den Anforderungen der DIN19643 genügte. Diese Ablaufqualität kann von konventionellen Belebungs- anlagen mit Klarwassertrennung durch Sedimentation ohne weitergehende Behandlung nicht erreicht werden.
Auf der energetischen Ebene ist das VRM-Verfahren zur Zeit noch nicht fähig, mit konventionellen Behandlungsverfahren für kommunale Abwässer zu konkurrieren. Während die zum Vergleich herangezogene Kläranlage im Betrachtungszeitraum durchschnittlich 0,6 kWh/m³, bezogen auf die Zulaufwassermenge verbrauchte, lagen die untersuchten VRM-Anlagen noch bei durchschnittlich 3,7 kWh/m³ (VRM I) bzw. 1,8 kWh/m³ (VRM II). Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden einige Ansätze zur energetischen Optimierung des Verfahrens gefunden. Das größte Potential zur energetischen Optimierung des VRM-Verfahrens wird in Zukunft in der Feinabstimmung der Laufzeiten von Belüftungs- und Spülaggregaten liegen. Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen, die zur Verbesserung der untersuchten Verfahrenstechnik dienen. Dennoch besteht weiterhin Forschungsbedarf, um das VRM-Verfahren auf der Basis der gefundenen Ergebnisse energetisch weiter zu optimieren.
Diese Diplomarbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Dr. Weßling Beratende Ingenieure erstellt.
- schlechte Adaption der Mikroorganismen im Belebungsreaktor der Anlage, was zu einer Schaumbildung führte, die einen Verlust von Trockensubstanz nach sich zog.
- zweimalige Unterbrechung des Anlagenbetriebs zur Abdichtung von Leckagen an den Membranenplatten und zum Auswechseln eines schadhaften Lagers.
Der Ablauf der VRM II hatte im Mittel eine CSB-Konzentration von ca. 23 mg/l. Die Abbaurate betrug im Mittel etwa 92 %. Der BSB5 wurde im Mittel zu 98 % abgebaut. Der mittlere Ablaufwert lag hier bei 5 mg/l. Der Phosphatgehalt des Ablaufs der VRM II betrug 7,7 mg/l. Bei der Elimination der Stickstofffracht ergaben sich für die VRM II Ablaufkonzentrationen von 7,3 mg NH4-N/l bzw. 9,4 mg Nges/l.
Mit den erreichten Ablaufwerten konnten beide Anlagen problemlos den Anforderungen an ihre jeweilige Größenklasse genügen.
Mit einer durchschnittlichen Tagesfracht von etwa 3,5 kgBSB5/d hätte VRM I die Auf- lagen für die Größenklasse 1 gemäß Abwasserverordnung - AbwV in der Fassung vom 9.2.99 (BGBl. I S.86), Anhang 1 (Häusliches und kommunales Abwasser) erfüllen müssen. Für diese Klasse sind Schmutzkonzentrationen von 150 mg CSB/l, 40mg BSB5/l vorgeschrieben.
Auch VRM II hätte mit einer mittleren Tagesfracht von 9,4 kg BSB5/d die Einleiterbedingungen für Größenklasse I erfüllen müssen. Hier sind Grenzwerte für den CSB von 150 mg/l bzw. 40 mg/l für den BSB5 einzuhalten. Im Vollastbetrieb wird die VRM II wahrscheinlich die Anforderungen an die Größenklasse 3 zu erfüllen haben. Diese haben Grenzwerte von 90 mg CSB/l, 20mg BSB5/l und 10 mg NH4-N/l einzuhalten.
Betrachtet man die Keimbelastung der VRM-Abläufe, so zeigt sich der größte Vorteil des VRM-Verfahrens gegenüber dem konventionellen Verfahren. Die Keimbelastung im Ablauf der VRM I wurde soweit herabgesetzt, dass das Wasser den Anforderungen der DIN19643 genügte. Diese Ablaufqualität kann von konventionellen Belebungs- anlagen mit Klarwassertrennung durch Sedimentation ohne weitergehende Behandlung nicht erreicht werden.
Auf der energetischen Ebene ist das VRM-Verfahren zur Zeit noch nicht fähig, mit konventionellen Behandlungsverfahren für kommunale Abwässer zu konkurrieren. Während die zum Vergleich herangezogene Kläranlage im Betrachtungszeitraum durchschnittlich 0,6 kWh/m³, bezogen auf die Zulaufwassermenge verbrauchte, lagen die untersuchten VRM-Anlagen noch bei durchschnittlich 3,7 kWh/m³ (VRM I) bzw. 1,8 kWh/m³ (VRM II). Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden einige Ansätze zur energetischen Optimierung des Verfahrens gefunden. Das größte Potential zur energetischen Optimierung des VRM-Verfahrens wird in Zukunft in der Feinabstimmung der Laufzeiten von Belüftungs- und Spülaggregaten liegen. Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen, die zur Verbesserung der untersuchten Verfahrenstechnik dienen. Dennoch besteht weiterhin Forschungsbedarf, um das VRM-Verfahren auf der Basis der gefundenen Ergebnisse energetisch weiter zu optimieren.
Diese Diplomarbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Dr. Weßling Beratende Ingenieure erstellt.