Neuartiges Anlagensystem zur Abwasseraufbereitung auf Schiffen

14.02.1999

Kombination von Bioreaktor und Ultrafiltration (Biofilt®)
Arbeitsbereich Apparatebau
Dipl.-Ing. S. Guttau, Dr.-Ing. R. Günther
Hintergrund
Auf Schiffen des Tourismus, im Frachtverkehr und im Fischereibetrieb fallen Abwässer zur Entsorgung an. Abwässer aus verschiedenen Quellen wie Kombüse, Duschen und Wäscherei werden als Grauwasser bezeichnet, während das Abwasser der Toiletten Schwarzwasser genannt wird. Bislang ist noch keine gesetzliche Verordnung in Kraft getreten, die die Verschmutzung durch in die Meere abgelassenes Schmutzwasser generell reglementiert. Allerdings sind ökologisch empfindliche Gewässer (wie z.B. die Antarktis) und einige Küstengebiete durch Verordnungen bereits geschützt. Im MARPOL-Abkommen von 1973/´78, (MARPOL=MARine POLlution) das eine Maßnahme der IMO (International Maritime Organisation) im Auftrage der UNO zum Zweck der Reinhaltung der Weltmeere ist, finden sich Aussagen zum Umgang mit Abfällen und Verschmutzungen, die an Bord eines Schiffes auftreten können. Die Regeln zur Verhütung der Ölverschmutzung (Anlage I) sind jedoch nicht zuletzt durch Kontrollen in den letzten zwanzig Jahren sehr wirksam gewesen. Bislang sind die Regeln zur Verhütung der Verschmutzung durch Schiffsabwasser (Anlage IV) noch nicht durchgesetzt worden.
Viele Länder bzw. deren Reeder sehen jedoch Tanks zur Speicherung von Abwässern an Bord ihrer Schiffe vor. Bis zum nächsten Hafen wird dieses Abwasser an Bord gesammelt und durch im Hafen vorhandene Auffanganlagen entsorgt. Sollte sich die Anlage IV des MARPOL-Abkommens mit Einigung der Länder durchsetzen, so wird es Pflicht sein, Auffanganlagen oder dementsprechende Entsorgungsmöglichkeiten wie bordeigene Kläranlagen zu schaffen.
Der Vorgang der Abwasserspeicherung an Bord benötigt im allgemeinen viel Platz und macht bei entsprechender Größe ein nicht zu vernachlässigendes Zusatzgewicht für das Schiff aus. Der Schwarzwasseranfall auf Schiffen beträgt etwa 15-20 l/Person×
d, so daß zur Nutzung in der Schiffahrt eine Menge von ca. 50 m3/d maßgebend ist.
Soll dieses Abwasser sofort an Bord zur Einleitung in See- und Hafengewässer gereinigt werden, so wird eine biologische Abwasseraufbereitungsanlage mit möglichst geringem Anlagenvolumen benötigt. Dabei sind den Besonderheiten an Bord eines Schiffes Rechnung zu tragen. So muß die Anlage beispielsweise den Schwankungen seitlich von ±25&°und vorne und hinten von jeweils 10&°standhalten. Zudem sollte der Werkstoff nicht halogeniert sein. Das hier entwickelte System kombiniert einen Bioreaktor mit einem Membranverfahren, der Ultrafiltration, so da&ßdas Abwasser hinreichend aufbereitet werden kann. Zur Anschaulichkeit werden die Membranverfahren und speziell die Ultrafiltration im folgenden kurz charakterisiert.
Membranverfahren
Die Membranverfahren erlangten zunehmend industrielle Bedeutung nachdem von Loeb und Sourirajan 1962 neue Membranen f&ü die Meer- und Brackwasserentsalzung mittels Umkehrosmose vorgestellt wurden. Inzwischen sind Membranverfahren ebenfalls aus der Abwasseraufbereitung nicht mehr wegzudenken und sie finden fortw&ärend in immer mehr Gebiete Einzug.
Die Membran ist das zentrale Trennelement. Sie dient als Barriere, so da&ßmanche Stoffe sie passieren, w&ärend andere zur&ükgehalten werden. Zur Realisierung des Prozesses erfolgt ein modularer Aufbau, wobei bei der Querstromfiltration oder auch Cross-Flow- Filtration ein zuf&ürender Volumenstrom (Feed) in zwei Teilstr&öe aufgeteilt wird, von denen sich einer bez&ülich mindestens einer Komponente im System abkonzentriert (Permeat) und die Membran passiert, w&ärend sich im Ausgangsstrom zumindest diese Konzentration erh&öt (Retentat oder Konzentrat).



Abb. 1: Darstellung von Membranverfahren
Inzwischen sind Membranen f&ü die verschiedensten Verfahren und Einsatzgebiete in unterschiedlichen Strukturen entwickelt worden. In der Natur dienen Membranen den Zellen, um lebenswichtige Stoffwechselvorg&äge zu t&äigen. Dies geschieht sowohl bei Einzellern als auch bei allen h&öeren Lebewesen. Daher ist einzusehen, da&ßdie Stofftrennung mit Membranen auf rein physikalischem Wege erfolgt, ohne da&ßchemische, biologische oder thermische Ver&äderungen der Komponenten auftreten.
Nicht nur die Partikelspektren der abzutrennenden Stoffe, sondern auch die Gestalt der Molek&üe und deren Wechselwirkungen mit der Membran sind f&ü die Eignung eines Membranverfahrens von Bedeutung.
Die Ultrafiltration ist ein druckgetriebenes Membranverfahren, das bei etwa 1-10 bar transmembraner Druckdifferenz arbeitet und haupts&ählich zur Fraktionierung niedermolekularer, gel&öter Stoffe und Makromolek&üe dient.
Um Membranprozesse realisieren zu k&önen, m&üsen die Membranen in einem Teilapparat, dem Modul, angeordnet sein. F&ü verschiedene Trennoperationen und unter Beachtung der jeweiligen Besonderheit des eingesetzten Prozesses eignen sich die Module in unterschiedlicher Weise. Neben geringen Druckverlusten, guter Reinigungsm&ölichkeit und hoher Stabilit&ä spielen gleicherma&ßn kosteng&üstige Fertigung und Membranwechsel sowie gleichm&äßge &Üerstr&öung und gro&ß Packungsdichte eine tragende Rolle f&ü die Modulauswahl.
Verfahrenstechnische L&öung
In einer Kooperationsarbeit der Firmen Rochem UF-Systeme, Bio-Energie-Consult (BEC) und dem Arbeitsbereich Apparatebau der TUHH wurde ein Gesamtkonzept zur Kl&äung von Abwasser an Bord von Schiffen entwickelt. Dieses umfa&ß die Bereiche


Schwarzwasser
Waschwasser
Komb&üenabwasser und
W&ächereiabwasser.

Der Kern der Anlage besteht aus einem Bioreaktor, der mit einer nachfolgenden Ultrafiltration kombiniert wird. Diese Kombination wird mit dem Namen Biofilt&®bezeichnet. In Abbildung 2 ist die Pilotanlage mit dem Bioreaktor im Vordergrund gezeigt.
Da die Gesamtanlage an die Gegebenheiten an Bord eines Schiffes angepa&ß werden mu&ß wurde diese in kompakter Bauweise entwickelt. Der Bioreaktor arbeitet nach dem Prinzip der Hochzelldichtefermentation, was bedeutet, da&ßwesentlich h&öere Biomassekonzentrationen als in herk&ömlichen Kl&äanlagen erreicht werden. Die hydraulische Verweilzeit des Systems wird klein gehalten, um bei minimalem Volumen des Reaktors eine entsprechende Menge an Abwasser kl&äen zu k&önen. Der Reaktor der Pilotanlage wird im Versuch mit k&üstlichem Abwasser versorgt. Die Zusammensetzung dieses Substrates wurde nach der auf Schiffen &ülichen Abwassermischung konzipiert. Durch dieses Vorgehen wird es m&ölich gemacht, das Abwasser gezielt in der Zusammensetzung zu variieren und gegebenenfalls die Einfl&üse auf den Bioreaktor zu beobachten. Weiterhin ist mit Hilfe des Steuerprogrammes LabView&®der Pilotanlage eine M&ölichkeit zur zeitabh&ägigen Zudosierung des Abwassers je nach Tageslast gegeben.
Im Anschlu&ßtrennt die Ultrafiltrationsanlage die Zellen und andere nach dem Abbau vorhandene h&öer molekulare Inhaltsstoffe des Abwassers ab und f&ürt sie zum weiteren Abbau zur&ük in den Reaktor. Da f&ü die Ultrafiltration relativ geringe Str&öe durch den Reaktor hindurchgesetzt werden, ist ein um ein Vielfaches h&öerer Kreislaufstrom innerhalb des Ultrafiltrationsteils vorgesehen, der die f&ü die Filtration n&öigen &Üerstr&öungsgeschwindigkeiten bereitstellt und die Leistung der Membranmodule sichert. Innerhalb dieses Kreislaufstromes sind zwei Module seriell verschaltet. Die Membranmodule der Firma Rochem-UF sind Kassettenmodule deren Gr&öß und damit auch die Membranfl&ähe durch Kombination unterschiedlicher Mengen von Kassetten variiert werden kann. In jeder Kassette befinden sich die Membrankissen, die mit Hilfe von abdichtenden Platzhaltern im n&öigen Abstand voneinander gehalten werden. Die Gr&öß des Abstandes der Kissen kann ebenfalls angepa&ß werden, so da&ßes mit Hilfe der Membranmodule m&ölich ist, f&ü den jeweiligen Anwendungsfall die erforderliche Membranfl&ähe zur Verf&üung zu stellen und damit die Menge an gereinigtem Abwasser an den Zuflu&ßins System anzupassen. Die Kombination des Kreislaufstromes mit hoher &Üerstr&öung der Membran und der zus&äzliche Einsatz einer automatisierten R&üksp&üvorrichtung gew&ärleisten, da&ßkeine Reinigung der Membran mit Chemikalien notwendig wird und die Anlage im Dauerbetrieb wartungsfrei an Bord eines Schiffes betrieben werden kann.
Ergebnisse
Zun&ähst wurde die Pilotanlage zu einem kontinuierlichen Betrieb gef&ürt und bis jetzt f&üf Monate getestet. Bei einer Biomassekonzentration ausgedr&ükt durch den Trockensubstanzgehalt (TS) von 7 bzw. 7,5 g/l ergaben sich TOC-Werte f&ü das gereinigte Abwasser (Permeat der Ultrafiltration) von etwa 20-40 mg/l. Um herauszufinden, bei welchem TS-Gehalt das Wachstum begrenzt wird, wurde kein &Üerschu&ßchlamm mehr abgezogen. Danach stellte sich eine bis jetzt maximale Konzentration von etwa 28 g/l ein. Auch bei dieser Konzentration war die Reinigung des Abwassers sichergestellt, die TOC-Werte des gereinigten Wassers wurden wie zuvor beibehalten. Der Unterschied von ungereinigtem zu gereinigtem Abwasser ist in Abbildung 3 dargestellt.
Die weitere Planung umfa&ß den Aufbau einer neuen Anlage, die mit Abwasser aus einer kommunalen Kl&äanlage betrieben werden soll. Hiermit wird ein zus&äzlicher Fortschritt in der Entwicklung des Gesamtkonzeptes gemacht. Die Anlage wird gr&ößr als die Technikumsanlage sein und im Aufbau noch modularisierter gestaltet werden. Es wird durch das Testen mit kommunalem Abwasser unter Beimengung von W&ächereiabwasser und dem Hinzuf&üen einer Vorfiltration eine gute M&ölichkeit vorhanden sein, die an Bord von Schiffen zu installierenden Anlagenteile


mechanische Vorkl&äung / Vorfiltration
vollbiologisches Reaktionssystem
mechanische Nachkl&äung mit Hilfe der Ultrafiltration

angepa&ß an die &ötlichen Gegebenheiten in Betrieb zu nehmen. Durch die M&ölichkeit zur Variation der Anlage aufgrund des modularen Aufbaus sowohl des Bioreaktors als auch der Ultrafiltration ist die vielversprechende Aussicht auf Einsetzbarkeit unter wechselnden Belastungen gegeben.


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