Foulingverhalten einer kommunalen MBR-Anlage

Angesichts steigender Anforderungen an die Ablaufqualität, der Notwendigkeit der Ab-wasserwiederverwendung und des eingeschränkten Platzangebotes im urbanen Raum, gilt das MBR-Verfahren als Schlüsseltechnologie für die zukünftige Abwasser-behandlung. Die Vorteile des MBR-Verfahrens gehen allerdings einher mit höheren Investitions- und Betriebskosten und einer höheren Herausforderung an den Betrieb durch sogenanntes Membranfouling und chemische Reinigungen. Für einen wirtschaft-lichen und prozessstabilen Betrieb von MBR-Anlagen ist es unerlässlich, die chemische Membranreinigung zu optimieren, die Energieeffizienz von Membrananlagen zu steigern und Ursachen und Vermeidungsstrategien von Membranfouling aufzuzeigen.
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Bei der größten MBR-Anlage Bayerns (21.000 EW) traten ganzjährig – besonders aus-geprägt aber in den Wintermonaten – hydraulische Leistungseinbrüche auf, die eine erhöhte Reinigungshäufigkeit verursachten. Dieses ungewöhnliche Foulingverhalten gab viele Rätsel auf und führte zu einer umfangreichen wissenschaftlichen Begleitung des Anlagenbetriebs über einen Zeitraum von gut 10 Jahren.
Zunächst wurden die Bemessungs-, Betriebs- und Leistungsdaten der Anlage sowie die Langzeiterfahrungen der chemischen Reinigungen grundlegend ausgewertet. Die chemischen Reinigungen führten zu einer anlagenspezifisch optimierten Reinigungs-strategie und zu neuen Erkenntnissen über die Auswirkung der Chemikalienexposition auf die Membranalterung. In 7,5 Betriebsjahren waren die Membranen einer unge-wöhnlich hohen Cl/H2O2-Exposition von bis zu 1,22 Mio ppmh ausgesetzt. Die Alterung der Membran äußerte sich durch eine offenere Struktur, was sich an einem höheren Reinwasserfluss als auch an einer geringeren Rückhalteleistung deutlich machte. In der Praxis war ein Permeabilitätsrückgang von 30 % zu verzeichnen.
Bezüglich Fouling konnten Membran- bzw. Moduleigenschaften, die gängigen Pro-zessparameter der biologischen Stufe und konkrete Verdachtssubstanzen als Ursache ausgeschlossen werden. Ein negativer Einfluss von Industrieeinleitern erwies sich ebenfalls als unwahrscheinlich. Belagsanalysen identifizierten den typischen, gelartigen Membranbelag als Biofouling, so dass die Ursachen hauptsächlich in einer Beein-trächtigung des biologischen Prozesses zu suchen waren. Einen signifikanten Einfluss auf die Permeabilität wiesen vor allem Mischwasserereignisse auf, insbesondere Schneeschmelze, und stark wechselnde Schlammbelastungen. Die Permeabilitätsent-wicklung zeigte einen deutlichen Zusammenhang mit der Schlammfiltrierbarkeit (SFI) und dem Auftreten von organischen Substanzen (SMP) in der Klarwasserphase der Belebung. Die Temperatur war nicht direkt ursächlich für die Entwicklung von SFI, SMP und Permeabilität, ihr ist aber eine stark beeinträchtigende Wirkung auf den belebten Schlamm und dessen Regenerationsfähigkeit zuzuschreiben. Mehrere Indizien legten ein ungünstiges Kationenverhältnis des Belebtschlamms und Streusalz als Ursache für die Leistungseinbrüche nahe. Laboruntersuchungen belegten die grundlegende Beeinträchtigung der Belebtschlammbeschaffenheit und -aktivität durch Salz in Abhängigkeit von deren M/D-Verhältnisses. Als Gegenmaßnahme zeigte eine Ca-Konditionierung der Belebung der großtechnischen Anlage einen stabilisierenden Effekt und erwies sich als empfehlenswerte Strategie, um die Salztoleranz des Belebtschlamms zu steigern. Durch die Komplexität der Foulingproblematik ließen sich weitere Permeabilitätseinbrüche aber nicht vermeiden.
Die Erweiterung der Anlagenkapazität um ein zusätzliches Membranmodul stabilisierte schließlich den Anlagenbetrieb und reduzierte die Auswirkungen des Membranfoulings und die Reinigungshäufigkeit. Bei dem neuen Modul handelte es sich um ein rotieren-des Membransystem in Kombination mit einem rückspülbaren Flachmembranlaminat, das eine innovative Weiterentwicklung gängiger Plattenmodule darstellte. Untersu-chungen zu dessen Reinigungsstrategie und Energieeffizienz belegten einen SAD von weniger als 0,1 Nm³/(m²*h), was 50 % unterhalb gängiger Literaturwerte anderer MBR-Module liegt. Diese neue Modulgeneration lässt einen Mehr-Energieverbrauch eines MBRs gegenüber einer konventionellen Kläranlage von nur noch 0,13 kWh/m³ erwar-ten.
Bislang erfolgte die Bemessung der erforderlichen Membranfläche von kommunalen MBR-Anlagen unter Berücksichtigung der minimalen Abwassertemperatur in Kombina-tion mit der hydraulischen Zulaufsituation. Die zu erwartende Belebtschlammbeschaf-fenheit bzw. das Foulingpotenzial des Belebtschlamms wird bei der Planung bisher nicht beachtet. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen, dass neben der Höhe auch die Häufigkeit, Dauer und Schwankungsbreite der hydraulischen Zulaufsituation, kritische Zulauf- und Betriebsbedingungen für die Biologie und das Foulingpotenzial von Be-lebtschlamm in Form einer schlechten Schlammfiltrierbarkeit und organischer Substan-zen im Klarwasserüberstand mit einem entsprechenden Sicherheitsfaktor für die Be-messungsfluxrate zu berücksichtigen sind.

In view of the increasing requirements on effluent quality, the necessity of wastewater reuse and limited space especially in urban areas, membrane bioreactor (MBR) sys-tems are regarded as key technology for future wastewater treatment. The benefits of MBR systems are however accompanied by higher investment and operating costs and their operation represents a bigger challenge due to the so-called membrane fouling and the chemical cleaning necessary therefore. For an economical and process-stable operation of MBR plants, it is essential to optimize the chemical membrane cleaning, to increase the energy efficiency of membrane plants and to point out the causes and avoidance strategies of membrane fouling
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On the biggest MBR plant in Bavaria (21,000 PE), hydraulic efficiency losses occurred all year round, particularly marked however in the winter months, requiring membrane cleaning very frequently. This untypical fouling behaviour raised a lot of questions. Plant operation was therefore scientifically monitored over a period of more than ten years.
First of all, the design, operating and performance data of the plant as well as the long-term experience of the chemical cleanings were fundamentally evaluated. Chemical cleanings have led to a plant-specific, optimized cleaning strategy and new findings on the effect the exposition to chemicals has on membrane ageing. During 7.5 years in operation, the membranes were exposed to an unusual high Cl/H2O2 exposure of up to 1.22 Mio. ppmh. Membrane “ageing” showed itself in an “open” structure, becoming apparent through an increased clean water flow and a reduced retention performance. In practice, a permeability decrease of approximately 30% was seen.
With regard to fouling it was possible to exclude membrane or module properties, common process parameters of the biological stage and specific suspicious substances as a cause. A negative impact from the industrial dischargers also turned out to be unlikely. Analyses of the fouling layer identified the typical, jellylike film on the mem-brane as biofouling. The reasons were therefore to be found mainly in the impairment of the biological process. A significant impact on permeability losses became obvious with combined water, particularly snow melt water, and high variations of F/M ratios. The development of membrane permeability showed a clear correlation with sludge filterability (SFI) and the occurrence of organic substances (SMP) in the clear water phase of the activated sludge process. The temperature was not directly responsible for the impact on SFI, SMP and permeability, but it is attributed to a detrimental effect on the activated sludge and its regenerative ability. Several indications suggested an unfavorable cation ratio of activated sludge and road salt as the cause of the perfor-mance declines. Laboratory studies could verify the basic impairment of activated sludge properties and activated sludge activity by salt depending on its M/D ratio. As a countermeasure, Ca-conditioning of the activated sludge process at the full-scale plant showed a stabilizing effect and proved to be a recommended strategy to increase the salt tolerance of the activated sludge. Due to the complexity of the fouling problem, however, further permeability losses could not be avoided.
The expansion of the plant capacity by one additional membrane module finally stabi-lized plant operation and reduced the effects of membrane fouling and frequency of cleaning. The new module was a rotating membrane system in combination with a backwashable flat membrane laminate, which represented an innovative further devel-opment of common plate modules. Investigations about its cleaning strategy and energy efficiency showed an SAD of less than 0.1 Nm³/(m²*h), which is 50 % below common literature values of other MBR modules. The achievable energy consumption of this new generation of membrane modules is expected to increase the energy consumption of an MBR compared to a conventional wastewater treatment plant of only 0.13 kWh/m³.
So far, the design of the required membrane area of municipal MBR plants takes into account the wastewater temperature in combination with the hydraulic inflow situation. The expected sludge properties or the fouling potential of activated sludge is not yet considered sufficiently in the planning. The findings of this work show that in addition to the height also the duration and variation range of the hydraulic inflow situation, the critical feed and operating conditions for the biological stage and the fouling potential of the activated sludge in form of poor sludge filterability or organic substances in the su-pernatant have to be considered with a corresponding safety factor for the design flux rate of a membrane filtration stage.