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 daß das 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 für die Meer- und Brackwasserentsalzung mittels Umkehrosmose vorgestellt wurden. Inzwischen sind Membranverfahren ebenfalls aus der Abwasseraufbereitung nicht mehr wegzudenken und sie finden fortwährend in immer mehr Gebiete Einzug.
Die Membran ist das zentrale Trennelement. Sie dient als Barriere, so daß manche Stoffe sie passieren, während andere zurückgehalten werden. Zur Realisierung des Prozesses erfolgt ein modularer Aufbau, wobei bei der Querstromfiltration oder auch Cross-Flow- Filtration ein zuführender Volumenstrom (Feed) in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen sich einer bezüglich mindestens einer Komponente im System abkonzentriert (Permeat) und die Membran passiert, während sich im Ausgangsstrom zumindest diese Konzentration erhöht (Retentat oder Konzentrat).

 
 
Abb. 1: Darstellung von Membranverfahren
Inzwischen sind Membranen für die verschiedensten Verfahren und Einsatzgebiete in unterschiedlichen Strukturen entwickelt worden. In der Natur dienen Membranen den Zellen, um lebenswichtige Stoffwechselvorgänge zu tätigen. Dies geschieht sowohl bei Einzellern als auch bei allen höheren Lebewesen. Daher ist einzusehen, daß die Stofftrennung mit Membranen auf rein physikalischem Wege erfolgt, ohne daß chemische, biologische oder thermische Veränderungen der Komponenten auftreten.
Nicht nur die Partikelspektren der abzutrennenden Stoffe, sondern auch die Gestalt der Moleküle und deren Wechselwirkungen mit der Membran sind für die Eignung eines Membranverfahrens von Bedeutung.
Die Ultrafiltration ist ein druckgetriebenes Membranverfahren, das bei etwa 1-10 bar transmembraner Druckdifferenz arbeitet und hauptsächlich zur Fraktionierung niedermolekularer, gelöster Stoffe und Makromoleküle dient.
Um Membranprozesse realisieren zu können, müssen die Membranen in einem Teilapparat, dem Modul, angeordnet sein. Für verschiedene Trennoperationen und unter Beachtung der jeweiligen Besonderheit des eingesetzten Prozesses eignen sich die Module in unterschiedlicher Weise. Neben geringen Druckverlusten, guter Reinigungsmöglichkeit und hoher Stabilität spielen gleichermaßen kostengünstige Fertigung und Membranwechsel sowie gleichmäßige Überströmung und große Packungsdichte eine tragende Rolle für die Modulauswahl.
Verfahrenstechnische Lösung
In einer Kooperationsarbeit der Firmen Rochem UF-Systeme, Bio-Energie-Consult (BEC) und dem Arbeitsbereich Apparatebau der TUHH wurde ein Gesamtkonzept zur Klärung von Abwasser an Bord von Schiffen entwickelt. Dieses umfaßt die Bereiche


Schwarzwasser
Waschwasser
Kombüsenabwasser und
Wäschereiabwasser.

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 angepaßt werden muß, wurde diese in kompakter Bauweise entwickelt. Der Bioreaktor arbeitet nach dem Prinzip der Hochzelldichtefermentation, was bedeutet, daß wesentlich höhere Biomassekonzentrationen als in herkömmlichen Kläranlagen erreicht werden. Die hydraulische Verweilzeit des Systems wird klein gehalten, um bei minimalem Volumen des Reaktors eine entsprechende Menge an Abwasser klären zu können. Der Reaktor der Pilotanlage wird im Versuch mit künstlichem Abwasser versorgt. Die Zusammensetzung dieses Substrates wurde nach der auf Schiffen üblichen Abwassermischung konzipiert. Durch dieses Vorgehen wird es möglich gemacht, das Abwasser gezielt in der Zusammensetzung zu variieren und gegebenenfalls die Einflüsse auf den Bioreaktor zu beobachten. Weiterhin ist mit Hilfe des Steuerprogrammes LabView® der Pilotanlage eine Möglichkeit zur zeitabhängigen Zudosierung des Abwassers je nach Tageslast gegeben.
Im Anschluß trennt die Ultrafiltrationsanlage die Zellen und andere nach dem Abbau vorhandene höher molekulare Inhaltsstoffe des Abwassers ab und führt sie zum weiteren Abbau zurück in den Reaktor. Da für die Ultrafiltration relativ geringe Ströme durch den Reaktor hindurchgesetzt werden, ist ein um ein Vielfaches höherer Kreislaufstrom innerhalb des Ultrafiltrationsteils vorgesehen, der die für die Filtration nötigen Überströmungsgeschwindigkeiten bereitstellt und die Leistung der Membranmodule sichert. Innerhalb dieses Kreislaufstromes sind zwei Module seriell verschaltet. Die Membranmodule der Firma Rochem-UF sind Kassettenmodule deren Größe und damit auch die Membranfläche durch Kombination unterschiedlicher Mengen von Kassetten variiert werden kann. In jeder Kassette befinden sich die Membrankissen, die mit Hilfe von abdichtenden Platzhaltern im nötigen Abstand voneinander gehalten werden. Die Größe des Abstandes der Kissen kann ebenfalls angepaßt werden, so daß es mit Hilfe der Membranmodule möglich ist, für den jeweiligen Anwendungsfall die erforderliche Membranfläche zur Verfügung zu stellen und damit die Menge an gereinigtem Abwasser an den Zufluß ins System anzupassen. Die Kombination des Kreislaufstromes mit hoher Überströmung der Membran und der zusätzliche Einsatz einer automatisierten Rückspülvorrichtung gewährleisten, daß keine Reinigung der Membran mit Chemikalien notwendig wird und die Anlage im Dauerbetrieb wartungsfrei an Bord eines Schiffes betrieben werden kann.
Ergebnisse
Zunächst wurde die Pilotanlage zu einem kontinuierlichen Betrieb geführt und bis jetzt fünf Monate getestet. Bei einer Biomassekonzentration ausgedrückt durch den Trockensubstanzgehalt (TS) von 7 bzw. 7,5 g/l ergaben sich TOC-Werte für das gereinigte Abwasser (Permeat der Ultrafiltration) von etwa 20-40 mg/l. Um herauszufinden, bei welchem TS-Gehalt das Wachstum begrenzt wird, wurde kein Überschußschlamm 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 umfaßt den Aufbau einer neuen Anlage, die mit Abwasser aus einer kommunalen Kläranlage betrieben werden soll. Hiermit wird ein zusätzlicher Fortschritt in der Entwicklung des Gesamtkonzeptes gemacht. Die Anlage wird größer als die Technikumsanlage sein und im Aufbau noch modularisierter gestaltet werden. Es wird durch das Testen mit kommunalem Abwasser unter Beimengung von Wäschereiabwasser und dem Hinzufügen einer Vorfiltration eine gute Möglichkeit vorhanden sein, die an Bord von Schiffen zu installierenden Anlagenteile


mechanische Vorklärung / Vorfiltration
vollbiologisches Reaktionssystem
mechanische Nachklärung mit Hilfe der Ultrafiltration

angepaßt an die örtlichen Gegebenheiten in Betrieb zu nehmen. Durch die Möglichkeit 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.

TUHH - Public Relations Office
Ingrid Holst
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