Kompakte biologische Kläranlagen mit Membranen und beweglichem Filterbett (SMBR und SMBBR)

• 1. Biologische Behandlungsverfahren mit Membranen und beweglichem Filterbett – MBR und MBBR
• 2. Abwasserbehandlung mit dem biologischen MBBR-Verfahren
• 3. Abwasserbehandlung mit MBR
• 4. Kombination von Abwasserbehandlungsverfahren mit MBBR und MBR
• 5. Zusammenfassung

1. Biologische Behandlungsverfahren mit Membranen und beweglichem Filterbett – MBR und MBBR

Die Reinigung von Industrieabwässern erfordert ausgefeilte Methoden und Verfahren, die an jedes einzelne Abwasser angepasst werden können.

Im Gegensatz zu den Abwässern in kommunalen Kläranlagen, bei denen die Schadstoffbelastungen innerhalb relativ gleichbleibender Werte schwanken und die Behandlungsverfahren in der Regel standardisiert werden können, gibt es bei Industrieabwässern kein Muster, das sich standardisieren lässt, da jede Branche und jede Industrie unterschiedliche Abwässer erzeugt.

Zudem ist es in industriellen Umgebungen häufig der Fall, dass nur begrenzter Platz für die Aufstellung von Wasseraufbereitungsanlagen zur Verfügung steht, was dazu geführt hat, dass die Technologien weiterentwickelt wurden, um den Platzbedarf zu verringern und die Aufbereitungseffizienz zu verbessern.

In diesem Zusammenhang gibt es Technologien, die wenig Platz beanspruchen und ein hohes Maß an individueller Anpassung ermöglichen, wie beispielsweise die MBBR-Reaktoren (Moving Bed Biofilm Reactor), die eine hohe Leistungsfähigkeit bieten. 

In einem aeroben MBBR-Verfahren erfolgt der Abbau organischer Stoffe durch aerobe Bakterien im Inneren eines biologischen Reaktors mit beweglichem Bett.

Das Abwasser aus einem MBBR-Reaktor enthält neben dem nicht biologisch abbaubaren CSB auch die Schlammrückstände, die sich nicht an den Wänden des Füllmaterials festgesetzt haben, auf dem die Bakterien in diesem Verfahren ansiedeln (Überschussschlamm).

Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass aerobe biologische Kläranlagen durch Schlammabscheidungs- und -rückführungssysteme ergänzt werden, wie beispielsweise einen Nachklärbecken oder DAF-Flotationsanlagen, wodurch Abwasser von besserer Qualität und eine höhere Konzentration im abgeschiedenen Schlamm erzielt werden kann.

Kompakte biologische Systeme wie MBR-Reaktoren (Membranbioreaktoren) dienen gleichzeitig als Zweit- und Drittbehandlung, da sie das durch den MBBR behandelte Abwasser mithilfe einer Reihe von Ultrafiltrationsmembranen (UF) filtern. Auf diese Weise erhält man hochwertiges gereinigtes Wasser und ein Konzentrat (Schlamm), das entweder rezirkuliert oder zur Entwässerung weitergeleitet werden kann, um anschließend auf eine Deponie verbracht oder zur Kompostierung wiederverwendet zu werden.

Die MBBR- und MBR-Systeme optimieren den Klärprozess in so wichtigen Bereichen wie Effizienz und Platzbedarf.

2. Biologische MBBR-Behandlung

Die MBBR-Technologie lässt sich sehr gut an verschiedene Arten von Abwässern anpassen, insbesondere in der Industrie.                                              

In MBBR-Reaktoren kommen Kunststoffträger zum Einsatz, die mit einem Biofilm überzogen sind und deren Aufgabe darin besteht, die organischen Abfälle, mit denen sie im Abwasser in Kontakt kommen, abzubauen. Diese Träger, auch als Carriers bezeichnet, sind im biologischen Reaktor eingetaucht und steigern dank ihrer Bewegung die Leistung und Reinigungsfähigkeit des MBBR-Systems, ohne dass der Reaktor vergrößert werden muss.                         

Das MBBR-Verfahren funktioniert dank der Aktivität von Mikroorganismen, die sich an den porösen Feststoffen mit großer Oberfläche festsetzen, die im Abwasser schwimmen. Ihre Aufgabe besteht darin, das Wachstum komplexer Kolonien aus Mikroorganismen und Biomaterial (Biofilm) zu fördern.

Die Träger, deren Dichte der von Wasser nahekommt, schwimmen und zirkulieren frei im Reaktorinneren dank der Wirkung von Belüftungsblasen (in aeroben Kammern) oder mechanischer Durchmischung (in anaeroben Kammern). Die Zirkulation der Träger im Wasser reguliert und stabilisiert das Wachstum des Biofilms und die Reaktionskinetik, wodurch das Risiko einer Verstopfung des Bettes verringert und Kurzschlüsse der Flüssigkeit innerhalb des Nutzvolumens vermieden werden.

MBBR-Systeme sind eine hervorragende Wahl für Anlagen mit begrenztem Platzangebot, da die Belüftungskammern kleiner sind als bei herkömmlichen Belebtschlammsystemen, dabei aber eine vergleichbare Leistung bieten. Zudem handelt es sich um ein flexibles Verfahren, da der Planer die verfügbare Oberfläche variieren kann.

In der Regel muss das Abwasser einer Vorbehandlung unterzogen werden, bevor es in den MBBR-Reaktor geleitet wird. Ein empfehlenswertes Verfahren ist die Koagulation/Flockung, gefolgt von einem DAF, da dadurch der größte Teil der gesamten Schwebstoffe und des kolloidalen Materials entfernt wird, bevor das Abwasser in den MBBR-Reaktor gelangt.

Diese Vorbehandlung bietet nicht nur eine hohe Abscheideleistung, sondern ermöglicht auch die Gewinnung von Schlamm mit hoher Konzentration (3–5 %), was die Handhabung und Trocknung des Schlamms erheblich vereinfacht. Zudem werden Öle und Fette fast vollständig abgeschieden, wodurch die MBBR-Träger vor Verschmutzungen geschützt werden, die ihre ordnungsgemäße Funktion beeinträchtigen könnten.

Nach dem Reaktor kann die Biomasse mittels eines Klärbeckens oder eines anderen Trennverfahrens abgeschieden werden, das entsprechend den Eigenschaften des Abwassers und dessen Verwendungszweck ausgewählt werden muss. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im Reaktor stets die für seinen Betrieb notwendigen Mikroorganismen vorhanden sind, wodurch die Effizienz und Leistungsfähigkeit dieses Klärsystems gewährleistet wird.

Die biologischen Reaktoren mit beweglichem Bett von SIGMADAF bieten eine herausragende Leistung, da alle Mikroorganismen, die zur Beseitigung der Schadstofflast benötigt werden, im Reaktor untergetaucht sind und an den Kunststoffträgern haften. Dank dieses Systems muss aus dem System lediglich die Biomasse entfernt werden, die sich von den Trägern gelöst hat und im bereits behandelten Abwasser in Suspension vorliegt.

Die wichtigsten Vorteile des MBBR-Verfahrens sind folgende:      

• Sie benötigen nur wenig Platz für die Installation.
• Einfach zu bedienen, ohne dass eine Schlammrückführung oder eine Steuerung der Verweildauer in der Zelle erforderlich ist.
• Beseitigung von Problemen beimBulking.
• Hervorragende Abwasserqualität.
• Fähigkeit, Lastspitzen und Durchflussschwankungen zu bewältigen.
• Es handelt sich um ein System für den Dauerbetrieb, das keine ständige Überwachung oder Unterbrechung der Behandlung erfordert.

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei einem MBBR-System um eine Belebtschlammtechnologie, bei der ein schwimmendes Material aus Polyethylen eingesetzt wird, auf dessen Oberfläche sich die Biomasse ansiedeln kann. Dieses schwimmende Material bietet eine große effektive Oberfläche für das Wachstum des Biofilms und erhöht so die volumetrische Biomassekonzentration.

Dieses forcierte Wachstum der Biomasse auf einem schwimmenden Element weist eine Reihe besonderer Merkmale auf:

• Die MLSS-Konzentration (Biomassekonzentration im Reaktor) kann 1,5- bis 2-mal höher sein als bei herkömmlichen Belebtschlammsystemen und Werte von 4000 bis 8000 mg/l erreichen.
• Die effektive Verweildauer der Zellen erhöht sich.
• Die Aufbereitungskapazität des Systems wird bei gleichem Volumen erhöht.

Aufgrund des Anstiegs des MLSS kommt es nicht zu einer Erhöhung der Schlammkonzentration,die in den nachfolgenden Prozess gelangt, sondern diese wird verringert, sodass die Abmessungen der nachfolgenden Behandlungsstufe geringer sind als bei herkömmlichen Systemen.

Dieser MBBR-Reaktor besteht aus aeroben Kammern (mit Sauerstoffzufuhr), in die verschiedene Arten vonTrägern eingebracht werden. Die Kammern sind durch einen Kanal miteinander verbunden, in dem Gitter angebracht sind, die diese Träger zurückhalten.

Das MBBR-Verfahren hat sich als wirksam erwiesen, um bis zu 90 % des CSB und 95 % des BSB zu entfernen, sofern eine ausreichende Verweildauer gewährleistet ist. Die Leistung eines MBBR-Reaktors hängt von Faktoren wie den folgenden ab:

• Der Anteil der im Reaktor bereitgestellten Medien.
• Die Grundfläche der Flugzeugträger.
• Gelöster Sauerstoff.
• Die organische Belastung.

MBBR-Systeme sind eine kostengünstige, effiziente, kompakte und einfach zu bedienende Technologie.

3. Abwasserbehandlung mit MBR

MBR-Systeme unterscheiden sich von anderen biologischen Verfahren dadurch, dass sie eine tertiäre Filterbehandlung beinhalten, die zu einem hochwertigen gereinigten Wasser führt, das für bestimmte Anwendungen wiederverwendet werden kann.

MBR-Systeme werden häufig in der kommunalen, industriellen und sogar häuslichen Abwasserbehandlung eingesetzt, wenn das Wasser wiederverwendet werden soll.                                                                                        

Membranbioreaktoren (MBR) sind eine Variante der Moving-Bed- und Membransysteme, die zur Abwasserbehandlung eingesetzt werden.  In einem MBR-System zersetzen Mikroorganismen die im Abwasser enthaltenen organischen Stoffe, und anschließend durchläuft das gereinigte Wasser einen Membranfilter, um Schwebstoffe und verbleibende Mikroorganismen zu entfernen. Das Ergebnis ist gereinigtes Wasser, das zur Wiederverwendung oder zur Einleitung in die Umwelt geeignet ist. 

Das in den biologischen Reaktor einströmende Abwasser enthält eine hohe Konzentration an Belebtschlamm, der zurückgeführt werden muss, um während der biologischen Behandlung eine angemessene Konzentration aufrechtzuerhalten. Dieser Schlamm wird durch eine Membrananlage gefiltert und in die Oxidationszone zurückgeführt.

Zudem werden Rückstände aus dem Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen und Bakterien (überschüssiger Schlamm) mitgeführt, die regelmäßig aus dem System gespült und entsorgt werden müssen. Dieser Anteil wird der Entwässerung zugeführt, um sein Volumen zu reduzieren und ihn handhabbar zu machen.    

Membranbioreaktoren (MBR) verwenden hauptsächlich Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsmembranen. Je nach Bauform lassen sie sich in Hohlfasermembranen, Flachmembranen und röhrenförmige MBR-Membranen unterteilen. Die am häufigsten für die Herstellung von Membranen verwendeten Materialien sind PVDF, PTFE, PE, PVC, Keramik, Glas und Verbundwerkstoffe. 

Die Trennbereiche dieser Membranen sind wie folgt:

• Mikrofiltration von 100 bis 1000 nm
• Ultrafiltration von 5 bis 100 nm.

In manchen Fällen werden NF und OI eingesetzt, doch diese Konfiguration führt häufig zu Verschmutzungsproblemen.           

Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, können die Membranen entweder im Bioreaktor untergetaucht oder außerhalb des Systems installiert werden.

Vorteile

Die wichtigsten Vorteile von MBR-Membranbioreaktoren sind:

1. Höhere Effizienz: MBR-Anlagen ermöglichen die Entfernung von Schadstoffen und die Gewinnung von Wasser hoher Qualität. 
2. Geringerer Platzbedarf: MBR-Anlagen benötigen weniger Platz als herkömmliche Abwasseraufbereitungsanlagen. 
3. Größere Flexibilität: MBR-Anlagen sind flexibler als herkömmliche Kläranlagen und lassen sich daher an verschiedene Abwasserarten und Schadstofffrachten anpassen. 
4. Geringere Schlammproduktion: MBR-Anlagen produzieren weniger Schlamm als herkömmliche Abwasserbehandlungssysteme, wodurch die Kosten für die Schlammentsorgung sinken. 

Nachteile

Zu den größten Nachteilen der Behandlung mit Membranbioreaktoren (MBR) zählen:

1. Reinigungsbedarf: Die in Membranbioreaktoren verwendeten Membranen müssen regelmäßig gereinigt werden, um eine Ansammlung von Feststoffen und Mikroorganismen auf ihrer Oberfläche zu verhindern. 
2. Energieverbrauch: Membranbioreaktoren verbrauchen mehr Energie als herkömmliche Abwasseraufbereitungssysteme, da das Wasser durch die Membranen gepumpt werden muss. 
3. Empfindlichkeit gegenüber der Wasserqualität: Membranbioreaktoren reagieren empfindlicher auf die Wasserqualität als herkömmliche Abwasserbehandlungssysteme, was sich auf ihre Effizienz auswirken kann. 

Vergleich der Effizienz eines MBR-Systems mit einem herkömmlichen Verfahren

Parameter	MBR	Konventionell
DB05	< 5 mg/l	10 – 30 mg/l
SST	< 1 mg/l	10 – 30 mg/l
MLSS	8.000 – 25.000 mg/l	2.000 – 3.000 mg/l
Trübung	< 0.2 NTU	5 – 20 NTU
Fäkalcoliforme	< 10	> 105

Reinigung der Membranen

Die Reinigung der Membranen in Membranbioreaktoren erfolgt durch Rückspülung mit Permeatwasser und Luft sowie in einigen Fällen unter Zuhilfenahme chemischer Lösungen. Der Antrieb durch die Membran wird durch Druckbeaufschlagung des Behälters oder durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Permeatseite erreicht, wodurch der Durchfluss der Flüssigkeit durch die Membran gefördert wird.  

Zur Reinigung der Membranen in Membranbioreaktoren (MBR) werden chemische Lösungen wie Natriumhypochlorit, Hypochlorige Säure oder Wasserstoffperoxid verwendet. Diese chemischen Lösungen werden eingesetzt, um die Membranen einige Minuten lang einzuweichen; anschließend werden die Verunreinigungen durch einen vor- oder rückwärts gerichteten Wasserstrahl abgespült.  Die Wahl der chemischen Lösung hängt von der Art der zu entfernenden Verunreinigung und von der Beschaffenheit der Membran ab. 

4. Abwasserbehandlung durch Kombination von MBBR und MBR

Die biologische Abwasserbehandlung mit Membranen (MBR) und beweglichem Filterbett (MBBR) ist ein Verfahren, bei dem beide Technologien (Membranen und bewegliches Filterbett) zur Abwasserbehandlung kombiniert werden. 

Die Kombination dieser beiden Technologien sorgt für eine hohe Effizienz bei der Entfernung von Schadstoffen aus dem Abwasser.             

Die Effizienz der biologischen Behandlung mit Membranen und einem beweglichen Filterbett hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Qualität des zulaufenden Abwassers
• Organische Belastung
• Temperatur
• Sauerstoffversorgung
• Vorhandensein von Nährstoffen

Die Wahl des im Wanderbettverfahren verwendeten Trägers kann ebenfalls die Effizienz der Behandlung beeinflussen. Wanderbett- und Membranbioreaktoren, die mit einer kurzen hydraulischen Verweilzeit betrieben werden, gewährleisten eine hohe Schadstoffabbaurate. 

Der durch die MBR-Membranen gefilterte Schlamm besteht im Wesentlichen aus inertem Material, das sich von den MBBR-Trägern löst. Dieses inerte Material kann in der vorangehenden Vorbehandlung abgeschieden werden, sodass es zur Abscheidung zusammen mit dem Vorbehandlungsschlamm in diesen Teil der Anlage zurückgeführt werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, es aus den Membranen abzulassen und zur Entwässerung und anschließenden Entsorgung weiterzuleiten.

Der Einsatz von MBBR-Modulen als zweite Stufe einer biologischen Abwasserbehandlung empfiehlt sich für Abwässer, bei denen eine höhere Wasserqualität erforderlich ist oder die einen hohen Gehalt an nicht-biologisch abbaubaren Stoffen (NTK) aufweisen. In diesen Fällen ist es ratsam, am Einlauf des MBBR-Moduls eine Rückführleitung mit einer vorgelagerten anoxischen Zone vorzusehen.

Zu den Vorteilen dieser Prozesskombination zählen insbesondere:

• Flexibilität bei den Behandlungen.
• Verbesserung der Systemleistung
• Geringerer Platzbedarf als bei einem Sedimentations- oder Flotationsverfahren im Anschluss an die biologische Reinigung.
• Bessere Qualität des aufbereiteten Wassers

5. Zusammenfassung

Das MBBR-Verfahren hat sich gegenüber anderen herkömmlichen biologischen Behandlungsverfahren wie der Langzeitbelüftung durchgesetzt, da es aufgrund seiner Flexibilität und Eignung für spezifische Industrieabwässer Vorteile bietet, da verschiedene Arten von Bakterienkolonien in unterschiedlichen Bereichen des Reaktors kombiniert werden können. Die Reinigungsleistung wird zudem dadurch gesteigert, dass sich die Kolonien auf einer Reihe von Kunststoffelementen (Trägern) ansiedeln, die eine große Oberfläche für ihre Anhaftung und Entwicklung (Biofilm) bieten. Hinzu kommt die Beweglichkeit des Systems durch Luftumwälzung (aerobes System) oder mechanische Umwälzung (in einem anaeroben System). All dies führt zu einer hohen Leistung bei minimalem Platzbedarf.

Die MBR-Technologie ersetzt ihrerseits das System der Nachklärung, um den aus der biologischen Behandlung austretenden Schlamm abzuscheiden. Stammt dieser Schlamm aus einem MBBR-System, so besteht er aus Rückständen, die sich von den Trägern lösen, und kann praktisch vollständig als Überschussschlamm betrachtet werden. Dementsprechend ist eine Rückführung von Belebtschlamm vor dem MBBR nicht erforderlich, und nach der Filtration durch die MBR-Membranen kann dieser direkt zur weiteren Entwässerung weitergeleitet oder in die Vorbehandlung zurückgeführt werden.

Trotz der Vorteile hinsichtlich Platzersparnis sowie der höheren Leistungsfähigkeit und Effizienz im Vergleich zu anderen gängigen Verfahren zur Abwasserbehandlung hat diese Prozesskombination den Nachteil, dass sie mit höheren Kosten und einer größeren Komplexität verbunden ist, was den Einsatz von qualifiziertem Personal erforderlich macht.