Beitrag zur Entwicklung, Optimierung und Simulation eines Membranbioreaktors zur Abwasseraufbereitung an Bord von Schiffen

Durch steigende Anforderungen finden stetig neue Verfahren wie die Membrantrenntechnik Einzug in den Bereich der Abwasseraufbereitung. Insbesondere Hybridverfahren und Prozesse zur dezentralen Abwasserbehandlung rücken deutlich stärker in den Blickpunkt der Experten.Der untersuchte Membranbioreaktor Bio-Filt wurde in enger Zusammenarbeit der Firma Rochem UF-Systeme mit dem Arbeitsbereich Verfahrenstechnischer Apparatebau der TU - Hamburg-Harburg speziell für die Abwasseraufbereitung an Bord von Schiffen entwickelt. Die besonderen Vorteile von Membranbiorektoren liegen in der Tatsache, dass Feststoffe vollständig zurückgehalten werden können und der Ablauf keimfrei erfolgen kann. Hohe Abbauraten und hohe Raumbelastungen sind bei gleichzeitig geringer Überschussschlammproduktion möglich.Während dieser Arbeit wurde die Entwicklung des Membranbioreaktors Bio-Filt bis zum großtechnischen Einsatz wissenschaftlich begleitet. Dies umfasste anfangs den Test einer Anlage im Technikumsmaßstab mit künstlichem Abwasser, die für den Einsatz mit kommunalem Abwasser optimiert wurde. Im weiteren Verlauf erfolgte der Aufbau einer Pilotanlage auf einem kommunalen Klärwerk, wodurch der Betrieb mit kommunalem Abwasser möglich wurde. Wichtig für die Analyse von Betriebszuständen und die Optimierung des Anlagensystems war die Durchführung von verschiedenen Experimenten zum Abbauverhalten und zur Überschussschlammproduktion sowie zum Permeatflussverhalten der Membraneinheit. Der Membranbioreaktor Bio-Filt zeichnete sich im Verlauf der Untersuchungen insbesondere dadurch aus, dass bei sehr geringen hydraulischen Verweilzeiten von etwa 2,5 h langfristig ein CSB-Abbau von 95% erreicht werden konnte. Die Überschussschlammproduktion lag mit 0,01 - 0,2 kgTS/kgCSBel im unteren bis mittleren Bereich und wurde im Wesentlichen durch die Schlammbelastung beeinflusst. Zudem war eine sorgfältige Schlammcharakterisierung bedeutsam für das Verständnis zu Zusammenhängen der Strömungseigenschaften des Fluids. Der im Bioreaktor enthaltene Belebtschlamm wies durch die Cross-Flow-Überströmung der Membran kleinere Flockenstrukturen und damit eine geringere Viskosität auf als der Schlamm vergleichbarer Anlagen, die mit getauchten Membranen betrieben werden. Neben verfahrenstechnischen Beeinflussungen konnte der durchschnittliche Permeatfluss ohne chemische Reinigung von etwa 30 l/m 2 h über längere Zeiträume gehalten werden. Weiterhin wurde die Güte des Sauerstoffeintrags in das Anlagensystem näher untersucht.Am Ende stand die Entwicklung von Simulationsmöglichkeiten von Membranbioreaktoren. Die erhaltenen experimentellen Daten wurden zur Grundlage für die Modellbildung herangezogen, um aussagefähige Gleichungen für verschiedene Betriebszustände des Membranbioreaktors gewinnen und Simulationen durchführen zu können. Insbesondere der zeitliche Verlauf des Permeatflusses konnte unter Zuhilfenahme einer geeigneten Gleichung für die Belebtschlammviskosität bei verschiedenen Betriebsbedingungen zufriedenstellend abgebildet werden. Eine Parameteranpassung des Modells für den Betrieb der Anlage an Bord eines Schiffes mit dem dortigen Schwarzwasser, das höher konzentriert vorliegt als das untersuchte Abwasser, muss erfolgen, um Optimierungen hinsichtlich der dortigen Betriebsweise vornehmen zu können.Mit Hilfe dieses Vorgehens konnte das entwickelte Anlagensystem bereits erfolgreiche technische Anwendung bei der Aufbereitung von Abwässern insbesondere an Bord von Kreuzfahrtschiffen finden.Mit der Entwicklung des Bio-Filt -Systems wird ein Beitrag zum Umweltschutz der Meere geleistet, da geringe Ablaufwerte auch bei rauer See gewährleistet werden können und kein weiterer Eintrag von Desinfektionsmitteln notwendig ist. Es ist daher zu