Membranbelebungsverfahren HUBER VRM® dank hervorragender Ergebnisse offiziell nach „California Title 22“ zugelassen

Prinzipskizze des “VRM®”-Membranbelebungsverfahrens
Pilotanlage “VRM® 20/36 Shakira” am Standort San Diego Point Loma
Gesamtcoliforme Keime in Zulauf und Permeat
Rückhalt von Testkeimen, Zuführung während des “Peak-Testing”
Entwicklung des Transmembrandrucks während des Betriebszeitraums. Peaks zeigen die kurzzeitigen Phasen der Durchsatzerhöhung

Nachdem alle Tests und Prüfungen beendet und bestanden sind und der offizielle Bericht des ausführenden Ingenieurbüros MWH durch den Staat Kalifornien geprüft und freigegeben wurde, darf das VRM®-Verfahren nun auch offiziell als „California Title 22“-zugelassen bezeichnet werden.

Bei „Title 22“ handelt es sich um einen weit reichenden Standard für Wasserrecycling, der neben dem Bundesstaat Kalifornien von immer mehr Bundesstaaten wie auch anderen Ländern weltweit genutzt wird. Grundlage ist die Keimbelastung des Ablaufs in Abhängigkeit unterschiedlicher Durchsatzraten. Diese Zulassung ist Voraussetzung zur Teilnahme an öffentlichen Ausschreibungen.

Das Membranbelebungsverfahren (kurz: MBR), also eine Kombination aus konventionellem Belebungsverfahren und einer Partikelabtrennung durch getauchte oder trocken aufgestellte Membranen, gewinnt für Neubauten und Ertüchtigungen von kommunalen und industriellen Abwasserbehandlungsanlagen immer mehr an Bedeutung. Waren es vor fünf Jahren nur einige vereinzelte Anlagen in Industriebetrieben, so sind mittlerweile auch im kommunalen Sektor eine Vielzahl von Anlagen im Betrieb. Darüber hinaus gewinnt das Membranbelebungsverfahren wegen der kompakten Bauweise und den unübertroffenen Ablaufwerten auch bei dezentralen Anwendungen und v. a. für Kleinkläranlagen zunehmend an Bedeutung. Speziell die ausgezeichnete Ablaufqualität mit der daraus resultierenden Möglichkeit der Wiederverwendung ermöglicht immer neue Anwendungsgebiete, v. a. auch im industriellen Sektor.

Gemeinsam ist allen auf dem Markt verbreiteten getauchten Membransystemen die Trennung von belebtem Schlamm und gereinigtem Abwasser durch getauchte (oder trocken aufgestellte) Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen. Für einen kontinuierlichen Betrieb müssen die Membranen mit Spülluft überströmt und so frei von filtrationshemmenden Deckschichten gehalten werden. Bei den meisten Techniken geschieht dies durch unter dem Modulpaket angeordnete Spülluftlanzen. Zusätzlich wird die Filtration regelmäßig unterbrochen oder auf eine Rückspülung umgeschaltet, um eine noch bessere Reinigung zu ermöglichen. Eine besondere und neuartige Filtrationstechnik für Membranbioreaktoren in der Abwasserreinigung stellt das HUBER VacuumRotationMembrane (kurz: VRM®)-Verfahren dar. Es vereint und ergänzt die Vorteile der Plattensys-teme (Unempfindlichkeit gg. Verzopfungen) mit denen der Hohlfasersysteme (hohe Packungsdichte) und stellt durch die Verwendung erprobter und günstiger Polymermembranen (Mem-branmaterial Polyethersulfon, Porengröße 40 nm) eine wirtschaftliche Alternative zum Bau von konventionellen Anlagentypen dar.

Die Besonderheit des VRM®-Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die trapezförmigen Membranplatten nicht starr in Becken eingebaut sind, sondern kreisförmig um eine mitrotierende perforierte Hohlwelle angeordnet sind und immer nur ein Segment des gesamten Membranpakets intensiv gereinigt wird. Die zur Abreinigung notwendigen Spülluftlanzen sind innerhalb der Hohlwelle angeordnet und reinigen immer nur das darüber liegende Segment mit hoher Intensität. Durch die Rotation werden die Membranen am Reinigungsstrahl vorbei bewegt (siehe Abbildung). Die speziellen Vorteile des Systems liegen in der sehr schonenden Betriebsweise mit reduziertem Bedarf an chemischen Reinigungen und den geringeren Energiekosten durch sequenzielle Reinigung bei niedriger Druckhöhe der Gebläse.
Das VRM®-Verfahren wurde bisher an sieben kommunalen und industriellen Abwasserreinigungsanlagen der Größenordnung bis zu 20.000 EW eingebaut und in Betrieb genommen. Teilweise wird das aufbereitete Abwasser sofort für die Bewässerung oder andere Brauchwasserzwecke verwendet. So erfolgt bei einer Anlage auf Lanzarote beispielsweise die Einspeisung in ein separates Brauchwassernetz, was wiederum der Bewässerung von Feldern dient!
Die USA sind neben dem Mittleren Osten und Südostasien der größte Markt für Membranbelebungstechnologien. Jedoch gibt es auch hier – ähnlich wie bei anderen Produkten – die aufwändigsten Zulassungs- und Prüfverfahren, die im Vorfeld zwingend absolviert werden müssen. Für Membrantechniken bzw. das Membranbelebungsverfahren mit dem Ziel der Wiederverwendung des aufbereiteten Abwassers ist dies beispielsweise die „California Title 22“-Zulassung.

Um die Leistungsfähigkeit von Membranfiltrationsanlagen beurteilen zu können, vergibt die Gesundheitsbehörde des US-Staates Kalifornien („Department of Health Services, DHS“) diese Zulassung an geprüfte Anlagentechniken. Diese Zertifizierung wird in vielen US- Bundesstaaten als Zulassungsgrundlage zur Teilnahme an Ausschreibungen herangezogen. Darüber hinaus nutzen weltweit immer mehr Länder (z.B. im Mittleren Osten) den „Title 22“ ebenfalls als Zulassungsgrundlage bei öffentlichen Ausschreibungen und als Qualitätskriterium.

Jeder Hersteller, der in den Vereinigten Staaten Membranfiltrationsanlagen (Anlagentypen, die direkt mit einem in die Umwelt abgeleiteten Ablauf zu tun haben) vertreiben und verkaufen will, muss diese Zertifizierung erwerben. Dabei wird die Zulassung nicht direkt von den Herstellern beantragt, sondern eine Kommune oder ein beauftragtes Büro (im Fall HUBER „City of San Diego“) muss bei DHS die Verwendung einer bestimmten Technologie beantragen. Erst danach erfolgt eine unabhängige Überprüfung durch ein Ingenieurbüro, das den Abschlussbericht wiederum an DHS übermittelt. Dort wird dann auch die offizielle Zertifizierung erteilt.
Während der sechstägigen Prüfphase wurde der Membranflux nach Tabelle jeweils tageszeitabhängig variiert und die sich einstellende Ablaufqualität hinsichtlich Feststoffen, Abwasserparametern und Keimen ermittelt. Zudem wurde der Transmembrandruck aufgezeichnet und damit das Foulingverhalten der Membran beurteilt.  

Zeitraum   Peak-Faktor   Flux [l/m2h]
00:00 – 08:30   0,9 Q     26
08:30 – 10:30   1,9 Q     55
10:30 – 13:30   0,7 Q     20
13:30 – 15:30   1,9 Q     55
15:30 – 18:30   0,7 Q     20
18:30 – 23:59   0,9 Q     26

Betriebs-Flux Testanlage während Title 22- Prüfung

Die Tests zeigten, dass unabhängig vom Durchfluss die Ablaufqualität jederzeit unverändert bleibt. So konnten weder erhöhte Abwasserparameter (BSB, Ammoniumstickstoff), Feststoffe oder eine verstärkte Keimbelastung im Ablauf gemessen werden.
Abbildung 2 zeigt ganz deutlich, dass der Ablauf der Membranfiltration (sog. Permeat) hinsichtlich des Parameters gesamtkoliforme Keime jederzeit nahe bzw. unterhalb der Nachweisgrenze war. Damit wird der größte Vorteil der Membranbelebungsanlage deutlich – die unübertroffene Ablaufqualität. Solche Ablaufwerte können selbst durch eine Desinfektion nach konventioneller Art (UV, Ozonung, Chlorung) nicht erreicht werden, da deren Prinzip auf Abtötung und Inaktivierung (100 % sind nicht möglich) beruht, während Membranfiltration die Keime fast vollständig zurückhält.

Ein separat durchgeführter Coliphagen-Test („Kleinstkeime“ kleiner als die Porengröße der Membranen) zeigte noch einen Rückhalt von mehr als vier Zehnerpotenzen (Abbildung 3). Dies zeigt deutlich, dass die nominelle bzw. absolute Porengröße einer Membran nicht direkt Einfluss auf das Rückhalt- und Abscheideverhalten einer Membran hat. Vielmehr spielen hydrodynamische Effekte und das Deckschichtverhalten eine große Rolle. So bildet sich auf allen Membranen eine sog. Sekundär-Filtrationsschicht, die den Rückhalt von Kleinstkeimen und Viren sicherstellt. Damit lassen sich erhöhte Ablaufwerte hinsichtlich dieser Kleinstkeime nach chemischer Reinigung und damit Ablösung dieser Sekundärschicht erklären, die immer wieder beobachtet werden. Während der Reinigungen wird die Sekundärschicht komplett abgelöst und die Membran in den Ausgangszustand versetzt. Erst nach einiger Zeit hat sich die dünne Sekundärschicht wieder gebildet.

Neben der Ablaufqualität veränderte sich auch die Leistung der Membranfiltration während des ganzen Tests nicht. Damit ist auch durch die sehr hohen flächenbezogenen Flüsse von bis zu 55 lm/h keine erhöhte Foulingneigung zu erkennen – die Permeabilität war praktisch konstant bei 300. Diese Ergebnisse decken sich mit den Untersuchungen, die vor einigen Jahren in den Niederlanden durchgeführt wurden. Auch hier wurden flächenbezogene Durchflüsse von > 50 lm/h erreicht.
Abbildung 3 zeigt den Verlauf des transmembranen Drucks während des sechstägigen Zulassungsbetriebes. Man sieht deutlich, dass die Permeabilität in dieser Phase trotz der relativ hohen flächenbezogenen Durchsatzleistung von 26 lm/h konstant blieb. Da das System diesen Fluss während des gesamten Prüfbetriebs aufrechterhalten konnte, darf bei zukünftigen Ausschreibungen auch mit diesen Durchsatzraten angeboten werden.

Das System ist damit – festgelegt auf System, Membranmaterial, Spülluftmenge – auf diesen Fluss festgelegt.
Nach Abschluss aller Untersuchungen und der Eingabe des Abschlussberichts erteilte das „Department of Health Services“ des Staates Kalifornien im Namen des Governeurs Arnold Schwarzenegger am 22. Juni 2006 offiziell das „Title 22 – Approval“!

Zusammenfassung:
Das HUBER VRM® Membranbelebungsverfahren wurde mittlerweile für eine Vielzahl von Anlagen und Anwendungen erprobt und eingesetzt. Im amerikanischen Markt konnten bisher jedoch noch keine Erfolge verbucht werden, da dort umfangreiche Prüfungen die Grundlage für die Zulassung in Ausschreibungen sind. Aus diesem Grund wurde am VRM®-Verfahren die “Title 22-Zertifizierung” - ein zweiwöchiger Leistungstest - durchgeführt und erfolgreich beendet. Anfang Juni 2006 wurde das offizielle “Title 22 - approval” erteilt.

Von Torsten Hackner
Geschäftsbereichsleiter
HUBER Filtration & Reuse

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