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Universität Stuttgart
Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft
Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran
Abteilung Abwassertechnik
Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth
Bandtäle 2, 70569 Stuttgart
Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch
Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark
variablen Zulaufverhältnissen
auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes
Lipbach-Bodensee
Schlußbericht
Auftraggeber:
Regierungspräsidium Tübingen
Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung,
Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des
Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth
Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. B. Günder
September 1998
Teil 1: Hauptuntersuchungen 1 Einführung ...........................................................................................................1
2 Grundlagen des Belebungsverfahrens.............................................................5
3 Membranen und Membranverfahren...............................................................17
4 Aufbau der Versuchsanlagen ..........................................................................29
5 Meß- und Analysenprogramm .........................................................................50
6 Darstellung der Ergebnisse .............................................................................53
7 Schlußbetrachtungen .....................................................................................185
8 Literatur............................................................................................................193
Teil 2: Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen
1 Zielsetzung der Untersuchungen ......................................................................1
2 Untersuchungen der Anreicherung anorganischer und organischer Schadstoffe im belebtem Schlamm...................................................................2
3 Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen.....17
4 Untersuchungen zum Abbau umweltrelevanter organischer Substanzen .20
5 Methoden und Daten.........................................................................................26
6 Zusammenfassung ...........................................................................................39
Universität Stuttgart
Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft
Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran
Abteilung Abwassertechnik
Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth
Bandtäle 2, 70569 Stuttgart
Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch
Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark
variablen Zulaufverhältnissen
auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes
Lipbach-Bodensee
Schlußbericht Teil 1
Hauptuntersuchungen
Auftraggeber:
Regierungspräsidium Tübingen
Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung,
Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des
Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth
Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. B. Günder
September 1998
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite II Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Inhaltsverzeichnis Teil 1
Hauptuntersuchungen
1 Einführung...........................................................................................................1 1.1 Veranlassung .............................................................................................1 1.2 Zielsetzung und Untersuchungsschwerpunkte ..........................................1 1.3 Aktuelle Situation auf der Kläranlage Immenstaad ....................................3
2 Grundlagen des Belebungsverfahrens.............................................................5 2.1 Allgemeines zum Belebungsverfahren.......................................................5 2.2 Ersatz der Nachklärung durch Membranen-
Membranbelebungsanlage.........................................................................5 2.3 Nachteile von konventionellen Belebungsanlagen und
Leistungsumfang der Membranfiltration.....................................................6 2.4 Kläranlagenzufluß und hydraulische Flexibilität .........................................7 2.5 Überschußschlammproduktion und Schlammalter ....................................9 2.6 Energieeinsatz auf kommunalen Kläranlagen..........................................10 2.7 Sauerstoffzufuhr.......................................................................................11
2.7.1 Grundlagen .................................................................................11 2.7.2 Energiebedarf der Sauerstoffzufuhr ............................................13 2.7.3 Begriffsdefinitionen......................................................................14
3 Membranen und Membranverfahren...............................................................17 3.1 Definition Membran und Membrantrennprozeß .......................................17 3.2 Membranmaterialien und Membranstrukturen .........................................17 3.3 Überblick Membrantrennprozesse ...........................................................18 3.4 Trenngrenzen und Membranverfahren ....................................................19 3.5 Verfahrensweisen zur Mikrofiltration ........................................................19 3.6 Begriffsdefinitionen bei der crossflow-Mikrofiltration ................................21 3.7 Modellvorstellungen zum Stoffaustausch bei der crossflow-
Mikrofiltration ............................................................................................22 3.8 Temperatureinfluß....................................................................................25 3.9 Module zur crossflow-Mikrofiltration .........................................................27
4 Aufbau der Versuchsanlagen ..........................................................................29 4.1 Auswahl der Systeme ..............................................................................29 4.2 Zielvorgaben und Gesamtkonzeption ......................................................29 4.3 Detaillierte Beschreibung der Anlage WABAG ........................................31
4.3.1 Aufbau der Versuchsanlage WABAG .........................................31 4.3.2 Funktionsprinzip der Anlage WABAG.........................................33
4.4 Detaillierte Beschreibung der Anlage ZENON .........................................35 4.4.1 Aufbau der Versuchsanlage ZENON..........................................35 4.4.2 Funktionsprinzip der Anlage ZENON..........................................37
4.5 Detaillierte Beschreibung der Anlage BERGHOF....................................39 4.5.1 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF.....................................39 4.5.2 Funktionsprinzip der Anlage BERGHOF.....................................41
4.6 Zusammenstellung der wichtigsten technischen Kennwerte ...................43 4.7 Berechnung der transmembranen Druckdifferenz ...................................44
4.7.1 Anlagen WABAG und ZENON....................................................44 4.7.2 Anlage BERGHOF......................................................................45
4.8 Festlegung der systemrelevanten Stromverbraucher und theoretischer Berechnungsansatz............................................................47
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
5 Meß- und Analysenprogramm .........................................................................50 5.1 Anordnung Probenahmestellen und online-Messungen ..........................50 5.2 Konzeption der Meßwerterfassung und Datenfernübertragung...............51 5.3 Analysenmethoden (Laboranalysen) .......................................................52
6 Darstellung der Ergebnisse .............................................................................53 6.1 Überblick Versuchsabschnitte..................................................................53 6.2 Versuchsabschnitt 0 (12.3.97 bis 2.4.97).................................................53 6.3 Versuchsabschnitt 1 (2.4.-26.5.97) ..........................................................55
6.3.1 Zielsetzung..................................................................................55 6.3.2 Protokoll und Kennwerte VA1 .....................................................55 6.3.3 Hydraulik .....................................................................................56 6.3.4 Chemisch-physikalische Parameter............................................59 6.3.5 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 1............................61 6.3.6 Verhältniswerte im Zulauf und Einfluß der Vorklärung................66 6.3.7 Zusammenfassung VA1..............................................................67
6.4 Versuchsabschnitt 2 (26.5.-10.07.97) ......................................................69 6.4.1 Zielsetzung..................................................................................69 6.4.2 Protokoll und Kennwerte VA2 .....................................................69 6.4.3 Zulaufganglinie............................................................................70 6.4.4 Hydraulik .....................................................................................72 6.4.5 Chemisch-physikalische Parameter............................................75 6.4.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 2............................77 6.4.7 Zusammenfassung VA2..............................................................82
6.5 Versuchsabschnitt 3 (11.7.97-5.11.97) ....................................................84 6.5.1 Zielsetzung..................................................................................84 6.5.2 Protokoll und Kennwerte VA3 ....................................................84 6.5.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ....................................88 6.5.4 Hydraulik .....................................................................................89 6.5.5 Chemisch-physikalische Parameter............................................92 6.5.6 Intensivuntersuchungen im Versuchsabschnitt 3........................95 6.5.7 Zusammenfassung VA3............................................................105
6.6 Versuchsabschnitt 4 (5.11.97 bis 07.01.98)...........................................108 6.6.1 Zielsetzung................................................................................108 6.6.2 Protokoll und Kennwerte VA4 ...................................................108 6.6.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ..................................111 6.6.4 Hydraulik ...................................................................................112 6.6.5 Chemisch-physikalische Parameter..........................................118 6.6.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 4i (3.12.97-
22.12.97) ...................................................................................121 6.6.7 Zusammenfassung VA4............................................................131
6.7 Versuchsabschnitt 5 (7.1.98 - 6.4.98) ....................................................133 6.7.1 Zielsetzung................................................................................133 6.7.2 Protokoll und Kennwerte VA5 ..................................................133 6.7.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ..................................134 6.7.4 Hydraulik ...................................................................................134 6.7.5 Chemisch-physikalische Parameter..........................................138 6.7.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 5i (20.2.98-
31.3.98) .....................................................................................142 6.7.7 Zusammenfassung VA5............................................................150
6.8 Versuchsabschnitt 6 (6.4.98 - 2.6.98) ....................................................153 6.8.1 Zielsetzung................................................................................153
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite IV Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.8.2 Kennwerte VA6 .........................................................................153 6.8.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse ..................................154 6.8.4 Hydraulik ...................................................................................154 6.8.5 Chemisch-physikalische Parameter..........................................157 6.8.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 6i (20.2.98-
31.3.98) .....................................................................................160 6.8.7 Zusammenfassung VA6............................................................168
6.9 Sonderuntersuchungen..........................................................................169 6.9.1 Mikrobiologische Parameter......................................................169 6.9.2 Stromverbrauch.........................................................................172 6.9.3 Dichte- und Viskositätsmessungen...........................................176 6.9.4 Sauerstoffeintragsversuche ......................................................180
7 Schlußbetrachtungen .....................................................................................185 7.1 Grundsätzliches......................................................................................185 7.2 Zuverlässigkeit der Versuchsanlagen ....................................................185 7.3 Hydraulische Leistung der Membraneinheiten.......................................186 7.4 Wichtige Betriebskennwerte...................................................................187 7.5 Rückhalt von Feststoffen........................................................................187 7.6 Kohlenstoffelimination ............................................................................187 7.7 Stickstoffelimination................................................................................187 7.8 Phosphorelimination...............................................................................189 7.9 Mikrobiologische Parameter...................................................................189 7.10 Schlammbelastungen und Überschußschlammproduktion....................190 7.11 Sauerstoffzufuhr und Feststoffgehalt .....................................................190 7.12 Systemrelevanter Energieeinsatz ..........................................................191
8 Literatur............................................................................................................193
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite V Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Symbolverzeichnis Formelzeichen
A m² Fläche A m² Grenzfläche Wasser-Luft A/V 1/m spezifische Grenzfläche a c mg/l Sauerstoffkonzentration im Abwasser cs mg/l Sättigungskonzentration von Sauerstoff im Abwasser d m Durchmesser D m²/h Diffusionskoeffizient von Sauerstoff g m/s² Erdbeschleunigung H m Einblastiefe bzw. Wurfhöhe k - Widerstandsbeiwert kLa 1/h Belüftungskoeffizient N KBE/ml Keimzahl n - Anzahl P W Leistung p Pa Druck ∆pTM Pa transmembraner Druckverlust Q m³/s Volumenstrom r m Radius RD 1/m Deckschichtwiderstand RM 1/m Membranwiderstand T K, °C Temperatur t s Zeit tK h mittlere Dauer der Existenz der wasserseitigen Grenzfläche
Wasser-Luft tTS d Schlammalter tV s Verweilzeit V m³ Volumen (Wasser-) v m/s Geschwindigkeit V m³ eingebrachtes Wasser bzw. Luftvolumen
•V
m³/s Volumenstrom
vP l/(m²⋅h) flächenbezogener Permeatvolumenstrom = Fluß Griechische Symbole
α - Grenzflächenfaktor β - Molares Verhältnis Me3+/Pges ∆ - Differenz η Pa s dynamische Viskosität ηP - Pumpenwirkungsgrad ϑ K, °C Temperatur λ - Reibungsbeiwert µ 1/h spezifische Wachstumsrate υ m²/s kinematische Viskosität ρL kg/m³ Dichte der Luft ρW kg/m³ Dichte des Wassers τ Pa Wandschubspannung σ J/m Grenzflächenspannung; für belebten Schlamm ca. 0,06 J/m²
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite VI Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Indizes
A flächenbezogene Größe D Deckschicht F Feed, Zulauf F Filtrat K Konzentrat M Membran max maximaler Wert min minimaler Wert P Partikel P Permeat P Pumpe R Reinigung TM transmembran V volumenbezogene Größe Abkürzungen
AFS mg/l abfiltrierbare Stoffe BSB5 mg/l biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen BTS kg/(kg⋅d) Schlammbelastung CSB mg/l chemischer Sauerstoffbedarf CSBmf mg/l chemischer Sauerstoffbedarf in der membranfiltrierten Probe
(0,45 µm) DIN Deutsches Institut für Normung DOC mg/l gelöster organischer Kohlenstoff (in der membranfiltrierten
Probe; 0,45 µm) ET m Einblastiefe (Anordnung Belüftung unter dem Wasserspiegel) FM Fällungsmittel GV % Glühverlust KS4,3 mmol/l Säurekapazität NH4
+-N mg/l Ammoniumstickstoff NO2
--N mg/l Nitritstickstoff NO3
--N mg/l Nitratstickstoff oTS g/l organischer Trockensubstanzgehalt Pges mg/l Gesamtphosphor PO4
3--P mg/l Phosphat-Phosphor TKN mg/l Kjeldahlstickstoff TOC mg/l gesamter organischer Kohlenstoff TS g/l Trockensubstanzgehalt VA Versuchsabschnitt WT m Wassertiefe Markierungen
_zu den Zulauf betreffend _ab den Ablauf betreffend _W Anlage WABAG _Z Anlage ZENON _B Anlage BERGHOF
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 1 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
1 Einführung
1.1 Veranlassung
Innovative Entwicklungen auf dem Gebiet der Membrantechnologie sind für den Einsatz
in der kommunalen Abwasserreinigung sehr vielversprechend, aber noch nicht ausrei-
chend in der Praxis erprobt. Vor dem Hintergrund einer bevorstehenden, umfangrei-
chen Erweiterung der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes Lipbach-
Bodensee in konventioneller Bauweise aufgrund ungenügender Ablaufwerte bot es sich
an, den Einsatz der verfügbaren Membrantechnologien auf dieser Kläranlage exempla-
risch zu untersuchen.
Nach gemeinsamer Absprache mit dem Regierungspräsidium Tübingen, dem Abwas-
serverband Lipbach-Bodensee, der Süddeutsche Abwasserreinigungs-
Ingenieurgesellschaft mbH (SAG), Ulm, als beteiligtem Planungsbüro und dem Institut
für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart
wurde im September 1996 die Durchführung eines Forschungsvorhabens zum Nach-
weis der prinzipiellen Eignung der Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreini-
gung beschlossen. Im Dezember 1996 erfolgte die Zustimmung des Abwasserverban-
des Lipbach-Bodensee zum geplanten Forschungsvorhaben und die Beauftragung von
Firmen zur Erstellung von Versuchsanlagen zur Membranfiltration auf dem Gelände der
Kläranlage Immenstaad.
Dem Einsatz von Membranen in der kommunalen Abwasserbehandlung mit dem Ziel,
die Nachklärbecken zu ersetzen, wird als zukunftsorientierte Variante des bewährten
Belebungsverfahrens betrachtet. Aufgrund der Leistungsfähigkeit der Membranen kön-
nen sonst übliche Verfahrensschritte der weitergehenden Abwasserbehandlung entfal-
len und eine sehr hohe Ablaufqualität erzielt werden. Inwieweit sich hieraus eine insge-
samt ökonomische Lösung ergibt, muß der noch ausstehende Kostenvergleich erbrin-
gen.
1.2 Zielsetzung und Untersuchungsschwerpunkte
Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens lag im praxisnahen Nachweis des Einsatzes
der Membrantechnolgie in der kommunalen Abwasserreinigung, aufgezeigt am Beispiel
der Kläranlage Immenstaad. Neben der sicheren Einhaltung der geforderten Überwa-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 2 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
chungswerte für den Kläranlagenablauf und der Bewältigung der variablen Zulaufvolu-
menströme stand die Betriebssicherheit unter praxisgerechten Bedingungen sowie die
maximale Leistungs- und Belastungsfähigkeit dieser neuen Technologie im Mittelpunkt
der Untersuchungen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhaben wurden stets auch un-
ter dem Gesichtspunkt der Übertragbarkeit auf vergleichbare Anwendungsfälle ermittelt.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollten insbesondere folgende Fragestellun-
gen untersucht werden:
• Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit der Membranen bei Mischwasserzuflüs-
sen,
• Flexibilität der Membranen zur Bewältigung der stark variablen Zuflüsse (die maxi-
male Variation des Zuflusses beträgt bei Mischkanalisationen ca. 1:10),
• Langzeitstabilität der Membranen (beschränkt natürlich auf die Dauer des For-
schungsvorhabens) und Betriebssicherheit der gesamten Systemkonfiguration
(Membranmodule, Permeatextraktion, Rückspülung, etc.),
• Energieeinsatz für die Filtration und für die Belüftung bei hohen Feststoffgehalten,
• Realisierung der Nährstoffelimination (vorgeschaltete, simultane oder intermittieren-
de Denitrifikation, Phosphatfällung),
• Ermittlung von Dimensionierungsgrößen für den Ausbau der Kläranlage Immen-
staad.
Aufgrund der Betriebsweise der Versuchsanlagen und der gegebenen Leistungsfähig-
keit von Membranen, ergaben sich weitere Schwerpunkte, die im Rahmen dieses For-
schungsvorhabens untersucht werden konnten, die aber nicht im unmittelbaren Zu-
sammenhang mit dem Ausbau der Kläranlage Immenstaad zu sehen sind:
• Anreicherung von Schwermetallen bzw. von organischen Schadstoffen in den
Membrananlagen (Auswirkungen auf den Klärschlamm),
• Entkeimungswirkung der Membranfiltration bei direkter Abtrennung von belebtem
Schlamm,
• erhöhter Abbau oder Anreicherung von umweltrelevanten Problemstoffen wie Arz-
neimittel oder endokriner Stoffe,
• Anreicherung von nicht membrangängigen und eventuell membranschädigenden
Abwasserinhaltsstoffen (z.B. Polyelektrolyte).
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 3 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
1.3 Aktuelle Situation auf der Kläranlage Immenstaad
Die Versuche zum Einsatz der Membrantechnologie bei variablen Zulaufverhältnissen
wurden auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes Lipbach-Bodensee
durchgeführt. Die Kläranlage ist nur für eine Kohlenstoffelimination ausgebaut. Phos-
phor wird durch Simultanfällung entfernt, wobei Ablaufkonzentrationen kleiner 1,0 mg/l
eingehalten werden können. Eine gezielte Stickstoffelimination ist bisher noch nicht
möglich. Die Kläranlage besteht im wesentlichen aus:
Mechanische Stufe
• Rechenanlage (Spaltweite 20 mm)
• belüfteter Sand- und Fettfang (ca. 17 min Aufenthaltszeit für Qt)
• Vorklärung ∅ 24,70 m (WT = 1,78 m; V = 850 m³; 1,2 h Aufenthaltszeit für Qt)
Biologische Stufe
• 4 Belebungsbecken mit Oberflächenbelüftung (WT = 2,80 m; VBB = 4 x 390 =
1.560 m³)
Nachklärung
• 2 runde Nachklärbecken ∅ 35 m (ANKB = 2 x 962 = 1.924 m²; VNKB = 2 x 2150 =
4300 m³)
Faulung
• 1 Faulbehälter (V = 1.200 m³)
Für den Ablauf der Kläranlage wurden von der Überwachungsbehörde folgende Einlei-
tungswerte (Tab. 1.1) festgesetzt:
Tab. 1.1 Zusammenstellung der Einleitungswerte
Parameter 24h-Mischprobe qualifizierte Stichprobe
Abwasser-temperatur
Ammoniumstickstoff < 5 mg/l < 5 mg/l für T > 12 °C
anorganischer Stickstoff < 18 mg/l < 18 mg/l für T > 12 °C
Phosphor gesamt < 0,3 mg/l < 1 mg/l
Chemischer Sauerstoffbedarf < 60 mg/l < 90 mg/l
Abfiltrierbare Stoffe < 5,0 mg/l < 5,0 mg/l
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 4 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Zur Einhaltung dieser festgesetzten Einleitungswerte muß die Kläranlage Immenstaad
erheblich umgebaut und erweitert werden. Hierzu wurde von der SAG eine Entwurfs-
und Genehmigungsplanung angefertigt. Die wesentlichen Elemente der Ausbaupla-
nung sind:
• Aufstockung und Umbau der vorhandenen Belebungsbecken (mit Oberflächenbe-
lüftung) zu Denitrifikationsbecken,
• Neubau von Nitrifikationsbecken,
• Aufstockung und Erweiterung der Nachklärung,
• nachgeschaltete Flockungsfiltration.
Die der Ausbauplanung zugrunde gelegten Belastungsgrößen sind in der folgenden
Tabelle zusammengefaßt.
Tab. 1.2 Zusammenstellung der Belastungswerte für den Ausbau der KA Im-menstaad
Hydraulik Frachten
Einwohnerwerte 40.000 EW BSB5 2.200 kg/d
Schmutzwasserzufluß Qs 160 l/s Nges 550 kg/d
Fremdwasserzufluß Qf 30 l/s Pges 80 kg/d
max. Trockenwetterzufluß 190 l/s TS0 1.650 kg/d
max. Mischwasserzufluß Qm 350 l/s
täglicher Zufluß Q24 10.650 m3/d
Alternativ zu einem konventionellen Umbau bot sich der Einsatz der Membrantechnolo-
gie auf dieser Kläranlage an. Auf einen Neubau der Nitrifikationsbecken, einer Aufsto-
ckung und Erweiterung der Nachklärung sowie auf den Neubau der Sandfiltration könn-
te dann verzichtet werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 5 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
2 Grundlagen des Belebungsverfahrens
2.1 Allgemeines zum Belebungsverfahren
Grundlage aller weiteren Betrachtungen zum Ersatz der Nachklärung durch Membran-
filtration ist das Belebungsverfahren. In seiner einfachsten Form ist das Belebungsver-
fahren wie in Abb. 2.1 gezeigt, aufgebaut.
Vor-klärung
Belebungs-becken
Nach-klärung
Pumpe
Überschuß-schlamm
Rücklaufschlamm
Schlamm-behandlung
Zulauf Ablauf
Luft
Abb. 2.1 Schematische Darstellung des Belebungsverfahrens
Zentraler Bestandteil des Belebungsverfahrens ist das Belebungsbecken. Hier werden
die im Abwasser enthaltenen Schmutzstoffe von suspendierten, flockenbildenden, ae-
roben Mikroorganismen abgebaut. Die Sauerstoffversorgung wird durch Einblasen von
Luft gewährleistet. In der Nachklärung erfolgt die Trennung des belebten Schlammes
durch Sedimentation. Aufgrund der größeren Dichte im Vergleich zu Wasser sinken die
Flocken zu Boden und werden mit dem Rücklaufschlamm wieder in das Belebungsbe-
cken zurückgeführt. Zugewachsener Schlamm wird als Überschußschlamm aus dem
System entfernt. Aufgrund der Sedimentationseigenschaften des belebten Schlammes
und den hydraulischen Randbedingungen in der Nachklärung können mit diesem Sys-
tem maximale Trockensubstanzgehalte in der Belebung von ca. 5 g/l erzielt werden.
2.2 Ersatz der Nachklärung durch Membranen- Membranbelebungsanlage
Der Einsatz der hier beschriebenen Membrantechnologie hat primär die Aufgabe, die
Nachklärung als Trennstufe für Fest/Flüssig zu ersetzen. Anstelle einer Abtrennung des
belebten Schlammes vom gereinigten Abwasser durch Sedimentation in den Nachklär-
becken, welche insbesondere von nicht kontrollierbaren Parametern wie z.B. dem Ab-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 6 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
setzverhalten der Schlämme abhängt, steht die definierte Rückhaltung aller suspendier-
ter Partikel durch Membranen (siehe Abb. 2.2). Der Porendurchmesser der Membranen
gibt demnach die Trenngüte an. Diese Verfahrenskombination wird als Membranbele-
bungsverfahren bezeichnet.
Vor-klärung
Belebungsbecken
Überschuß-schlamm
Schlamm-behandlung
Zulauf
Ablauf
LuftMembranen
Abb. 2.2 Ersatz der Nachklärung durch Membranen
Das Belebungsverfahren bleibt in seiner Grundfunktion bestehen. Der Abbau der Ab-
wasserinhaltsstoffe erfolgt weiterhin durch suspendierte Mikroorganismen. Allerdings
wird sich eine Populationsverschiebung einstellen, da der Selektionsdruck zur Ausbil-
dung von Flocken - aufgrund der Abtrennung mit Membranen - nicht mehr besteht.
2.3 Nachteile von konventionellen Belebungsanlagen und Leistungsumfang
der Membranfiltration
Aufgrund der Absetzeigenschaften des Schlammes und den hydraulischen Randbedin-
gungen im Nachklärbecken können im Belebungsbecken in der Regel nicht mehr als 5
g/l Trockensubstanzgehalt erzielt werden. Kapazitätserweiterungen sind nur durch Ver-
größerung der Belebungsbecken möglich.
Auch bei sehr gut funktionierenden Nachklärbecken gelangen Schwebstoffe in den Ab-
lauf der Kläranlage. Diese Schwebstoffe verschlechtern die Reinigungsleistung der An-
lage erheblich. Am Beispiel von Pges bedeutet dies, daß nur 10 mg/l an abfiltrierbaren
Stoffen im Ablauf der Kläranlage enthalten sein dürfen (Pges = 0 mg/l in der gelösten
Phase) um den Grenzwert der Bodenseerichtlinie von 0,3 mg/l nicht zu überschreiten.
Die Kläranlage reduziert zwar die Keimzahl des Abwassers erheblich, jedoch ist im Ab-
lauf der Nachklärung noch eine Keimbelastung zu verzeichnen. Hieraus kann eine Ge-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 7 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
fährdung der menschlichen Gesundheit durch Krankheitserreger entstehen. Eine voll-
ständige Elimination der Keime und damit auch der potentiellen Krankheitserreger ist
zwar noch nicht vorgeschrieben, in bestimmten Situationen aber erwünscht.
Diese Nachteile einer konventionellen Belebungsanlage mit Nachklärbecken können
durch weitergehende Verfahrensschritte und/oder vergrößerten Belebungsbecken be-
hoben werden. Wie später noch dargestellt wird, kann alternativ die Membranfiltration
eingesetzt werden. Aufgrund der definierten Trennwirkung der Membranen können
dann folgende Ausbaustufen oder Prozeßschritte entfallen:
• Erweiterung Belebung
• Nachklärung
• Sandfiltration (Flockungsfiltration)
• Desinfektion (z.B. durch UV-Oxidation)
Der maximale Leistungsumfang der Membranfiltration ist in der folgenden Abbildung
dargestellt.
Belebung Nach-klärung
vorgeklärtesAbwasser
Sand-filtration
Des-infektion
Er-weiterung
vorgeklärtesAbwasser
Belebung mit Membranfiltration
Abb. 2.3 Leistungsumfang der Membranfiltration
2.4 Kläranlagenzufluß und hydraulische Flexibilität
Kommunale Abwasserbehandlungsanlagen sind stark variablen hydraulischen Belas-
tungen ausgesetzt. Die Zulaufschwankungen auf einer Kläranlage resultieren aus den
tageszeitlichen Schwankungen des Schmutzwasseranfalles (Qs) im Siedlungsgebiet,
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 8 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
dem Fremdwasserzufluß (Qf) und - bei Entwässerung mit Mischkanalisationen - aus
abfließendem Niederschlagswasser. Für die hydraulische Bemessung des Gesamtsys-
tems ist der maximale Zufluß bei Regen maßgebend.
Ausgangspunkt für die hydraulische Bemessung einer Anlage ist der an Trockenwetter-
tagen (ausgenommen Tage mit Niederschlag und jeweils ein Tag Regennachlauf) in 85
% der Fälle unterschrittene Wert des Tageszuflusses (= Qt = Qs+Qf). Bei Regen wird
die Anlage mit Qm = 2 Qs + Qf beschickt. Dauer und Häufigkeit der maximalen Zulauf-
verhältnisse hängen von den Niederschlägen und der bestehenden Mischwasserbe-
handlung im Einzugsgebiet ab.
Von besonderer Bedeutung für die hydraulische Leistungsfähigkeit einer Anlage ist die
extreme Variation zwischen minimalem und maximalem Zufluß sowie die Geschwindig-
keit der Zuflußveränderung. Die maximalen Zuflüsse bei Regen können dabei mehr als
das Zehnfache der minimalen Zuflüsse in den Nachtstunden betragen. Die Zunahme
des Zulaufvolumenstromes kann sehr schnell erfolgen, ist aber sehr von der Ausdeh-
nung und Topographie des Einzugsgebietes abhängig. Es ist damit zu rechnen, daß
innerhalb von 30 Minuten der Zufluß vom minimalen auf den maximalen Wert ansteigt.
Wird nicht davon ausgegangen, daß Speicherbecken zur Verfügung stehen, so muß
die gesamte Anlage und insbesondere die Trennstufe für Fest/Flüssig diese Flexibilität
aufweisen. Am Beispiel der Kläranlage Immenstaad errechnet sich die erforderliche
Flexibilität (Ausbauzustand) zu:
²h/³m2333²s/l18,0s1800
s/l30350tV
dtV ==−=
∆∆≅
••
Gl. 1
Die Berechnung der erforderlichen Oberfläche von Nachklärbecken errechnet sich aus
der zulässige Schlammvolumenbeschickung. Für konventionelle Belebungsanlagen
Anlagen kann bei einem Trockensubstanzgehalt von 4 g/l, einem Schlammindex von
100 ml/g und einer zulässigen Schlammvolumenbeschickung von qSV<450 l/(m²⋅h) für
horizontal durchströmte Rundbecken mit einer maximalen Oberflächenbeschickung von
qA = 1 m/h = 1000 l/(m2⋅h) gerechnet werden. Die Flexibilität von konventionellen Nach-
klärbecken gegenüber Zulaufschwankungen, die sich dadurch ausdrückt, daß es zu
keinen Schlammaufwirbelungen mit unerwünschtem Schlammabtrieb kommt, hängt im
wesentlichen von der optimalen Konstruktion der Zulauf- und Ablaufbereiche ab und
kann in der Regel sicher erreicht werden. Für Membranen zur Abtrennung der belebtes
Schlammes steht dieser Nachweis noch aus. Während bei der Bemessung von Nach-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 9 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
klärbecken die Temperatur keine Rolle spielt, ist bei Membranen die hydraulische Leis-
tung von der Abwassertemperatur abhängig. Dies ist bei der Angabe von Bemessungs-
flüssen zu beachten (siehe Kapitel 3.8).
2.5 Überschußschlammproduktion und Schlammalter
Unabhängig von der Wahl der Trennstufe vollzieht sich die biologische Reinigung
grundsätzlich nach dem selben Schema: der Abbau von Schmutzstoffen erfolgt durch
den Aufbau von Biomasse.
Unter dem Begriff der Überschußschlammproduktion wird bei der biologischen Reini-
gung von Abwasser die gesamte Zunahme an Feststoffen zusammengefaßt. Die Über-
schußschlammproduktion beinhaltet:
• anorganische und nicht hydrolisierbare organische Feststoffe des Zulaufs,
• Bakterienmasse aus dem Kohlenstoff- und Stickstoffabbau,
• abgestorbene Bakterienmasse bzw. nicht hydrolisierbare Bakterienreste,
• zusätzlich bei Simultanfällung: Fällschlamm.
Die Überschußschlammmproduktion ist von entscheidendem Einfluß auf die Bemes-
sung von Belebungsanlagen. Aus dem Verhältnis von Feststoffmasse im System zur
täglichen Überschußschlammproduktion errechnet sich das für die Bemessung maß-
gebende Schlammalter:
]d[ÜS
TSVuktionchlammprodÜberschußstägliche
SystemimasseFeststoffmt
d
BBBBTS
⋅== Gl. 2
Bei Belebungsanlagen zur kommunalen Abwassereinigung wird die Über-
schußschlammproduktion nach folgender Gleichung berechnet (vgl. ATV Arbeitsblatt
A131):
]kgBSB/kgTS[F08,0t/1
F6,0072,01
BSBTS
6,0ÜS 5TS5
05BSB ⋅+
⋅⋅−
+⋅= Gl. 3
mit F = 1,072(T-15)
Die spezifische Überschußschlammproduktion (Ertragswert) ÜSBSB5 hängt maßgebend
vom Schlammalter, dem Verhältnis von TS0/BSB5 im Zulauf und von der Temperatur
ab. Die Berechnung der spezifischen Überschußschlammproduktion in Abhängigkeit
des Schlammalters (4 bis 24 Tage) ist in Abb. 2.4 dargestellt. Um die maximale Band-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 10 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
breite aufzuzeigen, wurde die Berechnung mit einem TS0/BSB5 - Zulaufverhältnis von
1,2 und 0,4 bei Temperaturen von 10 und 25°C durchgeführt.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Schlammalter [d]
spez
. ÜS
-Pro
dukt
ion
[kgT
S/k
gBS
B5]
TSo/BSB5 = 1,2; T = 10 °C
TSo/BSB5 = 0,4; T = 25 °C
Abb. 2.4 Spez. ÜS-Produktion in Abhängigkeit des Schlammalters (ATV A131)
Bei Membranbelebungsanlagen ist es möglich, den Trockensubstanzgehalt in einen
weiten Bereich zu variieren. Damit bietet sich die Möglichkeit, produzierten Über-
schußschlamm im System zu speichern. Dies ist bei der Bilanzierung der Über-
schußschlammproduktion zu berücksichtigen.
2.6 Energieeinsatz auf kommunalen Kläranlagen
Bei konventionellen Belebungsanlagen nehmen die Energiekosten einen Anteil von
durchschnittlich einem Drittel an den gesamten Betriebs- und Instandhaltungskosten
ein.
In Abb. 2.5 ist der Energiebedarf verschiedener Verfahrensstufen einer konventionellen,
einstufigen Belebungsanlage aufgezeigt (Bohn, 1993). Nachklärung und Belebung, die
im Zusammenhang mit diesem Forschungsvorhaben von Bedeutung sind, verbrauchen
über 80 % des Stroms auf kommunalen Kläranlagen. Der Stromverbrauch für diese
beiden Verfahrensstufen kann zu ca. 0,3 bis 0,5 kWh/m³ abgeschätzt werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 11 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Nachklärung 7,6%
Belebung73,0%
Faulung6,2%
Entwässerung 2,2%
bel. Sandfang6,1%Rechen, Sieb
1,2%
Eindicker2,5%
Vorklärung1%
Abb. 2.5 Energieeinsatz auf Kläranlagen (nach Bohn, 1993)
Bei Anlagen mit dem Reinigungsziel Nitrifikation/Denitrifikation bestimmt der Energie-
einsatz für die Belüftung nahezu vollkommen den Energieeinsatz für die Belebung und
damit auch den Energieeinsatz auf der gesamten Anlage.
Eine Veränderung des Sauerstoffzufuhrvermögens wird die größten Auswirkungen
beim Energiebedarf haben und ist deswegen gesondert zu untersuchen. Im folgenden
Abschnitt wird daher auf die grundlegenden Zusammenhänge zum Sauerstoffeintrag
eingegangen.
2.7 Sauerstoffzufuhr
2.7.1 Grundlagen
Die hier beschriebenen Grundlagen sind den Ausführungen von Pöpel (1986) entnom-
men.
Der Stofftransport im System gasförmig/flüssig ist proportional dem Sättigungsdefizit:
)cc(akdtdc
SL −⋅= Gl. 4
Der Belüftungskoeffizient kLa wird in der Regel aus Sauerstoffeintragsversuchen be-
stimmt (siehe Definition in 2.7.3). Theoretisch kann der Belüftungskoeffizient mit folgen-
der Gleichung berechnet werden:
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 12 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
VA
tD
akK
L ⋅⋅π
=2 Gl. 5
Mit diesem formellen Zusammenhang läßt sich der Belüftungskoeffizient nicht praktisch
berechnen. Es können aber die verschiedenen Einflußgrößen analysiert werden, die
den Sauerstoffeintrag maßgeblich beeinflussen. Demnach ist festzustellen, daß nur
über die Grenzfläche A und die mittlere Existenzdauer tK der Belüftungskoeffizient be-
einflußt werden kann.
Grenzfläche A:
Bei der Druckluftbelüftung ist dies die Summe der Grenzflächen aller im Becken vor-
handener Blasen und des Wasserspiegels. Bei der Oberflächenbelüftung ist dies neben
dem Wasserspiegel die Grenzfläche des in der Luft verwirbelten Wassers und der mit
dem eintauchenden Wasserstrahl ins Wasser eingebrachten Luft.
Für Druckluftbelüftungssysteme ist die Grenzfläche
proportional zur eingeblasenen Luftmenge QL
umgekehrt proportional zum Blasendurchmesser DB
zur Aufenthaltszeit tB der Blasen im Becken
Die Zeit tB wird aus der Einblastiefe und der Steiggeschwindigkeit der Blasen im Be-
cken bestimmt.
Bei Oberflächenbelüftungssystemen ist die Größe der Grenzfläche schwieriger abzu-
schätzen. Die verwirbelte Wassermenge nimmt mit zunehmendem Energieeintrag zu,
ebenso die dadurch örtlich intensivierte Abwärtsströmung, die entsprechend mehr Bla-
sengrenzfläche im Becken zurückhält. Auch die Wasserspiegelgrenzfläche wird stärker
aufgerauht und damit größer
Grenzflächenerneuerung
Je schneller die Grenzfläche Wasser/Luft erneuert wird, desto schneller werden die in
der wasserseitigen Grenzschicht durch Diffusion aufgenommenen geringen Sauer-
stoffmengen in den Wasserkörper transportiert und die erneuerte, sauerstoffarme
Grenzschicht kann erneut mit Sauerstoff angereichert werden. Je schneller dieser Vor-
gang abläuft, desto höher ist der Sauerstoffeintrag. Aus dem Grundmechanismus die-
ses Vorganges wird zudem deutlich, daß es nur auf die Erneuerung der wasserseitigen
und nicht der luftseitigen Grenzschicht ankommt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 13 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei der Druckluftbelüftung kann die Grenzflächenerneuerung abgeschätzt werden.
Hierbei wird angenommen, daß eine Blase von 3 mm Durchmesser ihre Grenzfläche
nach einem Weg von 3 mm erneuert hat. Bei einer Blasengeschwindigkeit von 0,3 m/s
beträgt tK = 3 ⋅10-3/0,3 = 0,01 s, die Grenzfläche wird 100 mal je Sekunde erneuert.
Bei der Oberflächenbelüftung kann die Grenzflächenerneuerung aus der „Flugzeit“ in
die Luft geworfener Wasserpakete ermittelt werden. Für eine Wurfhöhe von z.B. 0,5 m
ergibt sich:
s,gH
tK 6408 == Gl. 6
Dies ist 64 mal so lang wie im Beispiel der Druckluftbelüftung und wirkt sich extrem un-
günstig auf den Sauerstofftransport aus.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Geschwindigkeit des Sauerstoff-
eintrages im wesentlichen von fünf Faktoren abhängt:
• Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken,
• Sauerstoffgehalt der Luft bzw. der Gasmischung, mit der belüftet wird (insbesondere
interessant bei Sauerstoffbegasung),
• Größe der geschaffenen Grenzfläche,
• Strömungsverhältnisse im Belebungsbecken, soweit sie die Größe der Grenzflä-
chen beeinflussen,
• Erneuerungsgeschwindigkeit der wasserseitigen Grenzfläche.
2.7.2 Energiebedarf der Sauerstoffzufuhr
Aufgrund der großen Bedeutung des Energieeinsatzes für die Belüftung werden in die-
sem Abschnitt die Grundlagen zusammengefaßt (vgl. Pöpel, 1985).
Im allgemeinen wird die bei der Belüftung eingesetzte Energie zur Schaffung von
Grenzflächen zwischen Wasser und Luft angewendet. Wie schon beschrieben, können
Grenzflächen durch die Verteilung von Luft in Wasser oder durch die Verteilung von
Wasser in Luft geschaffen werden. Bei beiden Arten setzt sich der Energiebedarf aus
jeweils drei Arten zusammen:
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 14 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
1. Überwindung der Schwerkraft
Zum Einbringen von Luft in Wasser oder von Wasser in Luft muß Arbeit zur Erhöhung
der potentiellen Energie aufgewendet werden.
)(HVE LWH ρ−ρ⋅⋅= Gl. 7
Demnach ist für das Einbringen von Luft (Wasser) auf 1 m Tiefe (Höhe) 2,72 Wh/m³⋅m
erforderlich (Wirkungsgrad nicht berücksichtigt).
2. Überwindung der Grenzflächenspannung
Das eingebrachte Wasser- bzw. Luftvolumen muß zur Vergrößerung der Grenzfläche in
möglichst kleine Elemente aufgeteilt werden. Dabei ist die Überwindung der Grenzflä-
chenspannung σ notwendig. Die hierfür aufzubringende Energie beträgt:
σ⋅= AEA Gl. 8
Wird zum Beispiel 1 m³ Luft (Wasser) in Blasen (Tropfen) von 4 mm zerteilt
(1500 m²/m³), dann sind hierfür 0,11 kJ/m³ =0,031 Wh/m³ nötig (bei einer Oberflächen-
spannung für belebten Schlamm von 0,06 J/m²). Dieser Anteil an der gesamten Belüf-
tungsenergie kann vernachlässigt werden.
3. Energieverluste
Bei der elektro-mechanischen Umsetzung der Primärenergie in Belüftungsenergie tre-
ten Verluste auf, die bei Druckluftbelüftungen noch durch Reibungsverluste in Luftfiltern,
Luftleitungen und Belüftungselementen erhöht werden.
Das Einbringen von Luft erfordert erfahrungsgemäß ca. 5,5 Wh/(m³Luft⋅mSteighöhe). Bei
einem berechneten Nettoaufwand von 2,72 Wh/(m³⋅m) ergibt sich für die Druckluftbelüf-
tung ein Wirkungsgrad von 50 %. Bei der mechanischen Belüftung kann für Elektromo-
tor und Getriebe bzw. Pumpe ein Wirkungsgrad von 70 % angesetzt werden.
2.7.3 Begriffsdefinitionen
Die im folgenden aufgeführten Begriffsdefinitionen sind dem ATV Merkblatt M 209 ent-
nommen und für die hier interessierenden Belange (Sauerstoffzufuhr in belebtem
Schlamm) zusammengestellt.
• Sauerstoffzufuhr in belebtem Schlamm αOC [kg/h]
αOC ist die Masse an Sauerstoff, die von einer Belüftungseinrichtung beim Sauerstoff-
gehalt von 0 mg/l, bei einer Wassertemperatur von 20 °C und atmosphärischem Nor-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 15 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
maldruck (1013 hPa) in einer Stunde in einem mit belebtem Schlamm gefüllten Becken
bestimmter Größe gelöst wird.
⋅β⋅α⋅
=αhkg
1000
cakVOC 20,S20L Gl. 9
• Sauerstoffertrag in belebtem Schlamm αOP [kg/kWh]
αOP ist die Sauerstoffzufuhr im belebten Schlamm dividiert durch die Leistungsauf-
nahme P [kW] der Belüftungseinrichtung einschließlich zugehöriger Mischeinrichtun-
gen.
α=αkWhkg
POC
OP Gl. 10
• spezifische Sauerstoffzufuhr αOCL,h [g/m³N/m] und Sauerstoffausnutzung αOA
[%/m]
Die spezifische Sauerstoffzufuhr bzw. die spezifische Sauerstoffausnutzung sind Be-
zugswerte, die zum Vergleich von Druckluft-Belüftungssystemen herangezogen wer-
den. Nach vielen Untersuchungen sind die beiden Werte unabhängig von der Einblas-
tiefe (bis zu 6 bis 8 m). Mit QL [m³N/h] (angesaugte trockene Luft bei 0°C und 1013 hPa)
und der Dichte von Sauerstoff mit 0,299 kg/m³:
⋅
⋅⋅
α=αmm
g1000
hQOC
OC3NEL
h,L Gl. 11
⋅⋅α⋅=α
m%
)299,0Q(hOC100
OALE
h Gl. 12
• Belüftungskoeffizient αkLa
Der Belüftungskoeffizient ist der maßgebende Kennwert für die in einem Becken auf
eine bestimmte Leistung eingestellte Belüftungseinrichtung. Er wird aus Sauerstoffzu-
fuhrversuchen bei einer Wassertemperatur T [°C] bestimmt. Bei gleicher Belüftungsein-
stellung steigt αkLa mit steigender Temperatur. Der für eine Temperatur von 20 °C
normierte Belüftungskoeffizient αkLa20 ergibt sich zu:
⋅α=α −
h1
024,1akak )T20(TL20L Gl. 13
• α -Wert (Grenzflächenfaktor) [-]
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 16 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Durch verschiedenen Abwasserinhaltsstoffe, vorrangig grenzflächenaktive Stoffe, wird
bei sonst gleichen Bedingungen kLa im Abwasser bzw. im belebten Schlamm meist
kleiner als in Reinwasser. Zum Vergleich dient der α-Wert:
[ ]−=αinwasserReinak
Schlammbelebteminak
20L
20L Gl. 14
Beide kLa-Werte müssen dabei im gleichen Becken mit der gleichen Belüftungseinrich-
tung und mit gleicher Belüftungsintensität bestimmt werden, weil α nicht nur von der
Abwasserbeschaffenheit, sondern in stärkerem Maße vom Belüftungssystem abhängt.
• Sauerstoffsättigungswert cS,T [mg/l]
Der Sauerstoffsättigungswert stellt sich in einem Becken bei konstanter Belüftung ein.
Für Oberflächenbelüftungssysteme kann näherungsweise die Standard-Sauerstoff-
sättigung CS,20 von 9,1 mg/l angenommen werden:
Bei der Druckbelüftung wird durch den Überdruck bei der Einblastiefe (hE) eine Über-
sättigung erreicht. Der Sättigungswert kann vereinfacht berechnet werden zu:
lmg
),
h(,c E
,S 72011920 +⋅= Gl. 15
• β-Wert (Salzfaktor)
Der Sauerstoffsättigungswert wird durch Neutralsalze verringert. Im allgemeinen kann
für kommunales Abwasser mit β = 1,0 gerechnet werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 17 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
3 Membranen und Membranverfahren
3.1 Definition Membran und Membrantrennprozeß
Eine Membran ist ein flächenhaftes Gebilde (membrana (lat.) = Häutchen), das zwei
Phasen voneinander trennt und für bestimmte Stoffe oder Stoffgruppen durchlässig ist.
Nach dem heutigen Verständnis ist eine Membran immer eine Haut mit semipermeab-
ler Funktion. Der Stofftransport durch Membranen ist selektiv.
Im Gegensatz zu den aktiven Membranen in der belebten Natur sind die in technischen
Prozessen eingesetzten synthetischen Membranen passiv. Dies bedeutet, daß der
Stofftransport an eine von außen aufgeprägte treibende Kraft gebunden ist. Die Art der
treibenden Kraft sowie die Eigenschaften und Wirkungsmechanismen der Membran
bestimmen das Membranverfahren.
Bei Membrantrennprozessen handelt es sich um rein physikalische Trennverfahren. Die
Ausgangsstoffe werden in ihrer Form oder Zusammensetzung nicht verändert.
3.2 Membranmaterialien und Membranstrukturen
Entsprechend den chemisch-physikalischen Randbedingungen bei der Stofftrennung
mit Membranen (pH-Wert, Temperatur, Druck usw.) werden die unterschiedlichsten
Materialien für Membranen eingesetzt. Es handelt sich hierbei hauptsächlich um:
• abgewandelte Naturprodukte
Celluloseacetat, Celluloseregenerat, Cellulosenitrat
• synthetische Produkte
Polyamide, Polysulfon, Vinylpolymere, Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Po-
lypropylen
• Sonderwerkstoffe
poröses Glas, Graphitoxid, Keramik, Metall
Durch die unterschiedlichen Herstellungsverfahren entstehen verschiedene Membran-
strukturen. Symmetrische Membranen besitzen eine homogene Porengröße bzw. Po-
renquerschnitt über die Dicke der Membran. Bei asymmetrischen Membranen ist die
Porenstruktur ungleichmäßig über den Querschnitt der Membran verteilt. Die kleinen
Poren sind der zu filtrierenden Suspension zugewandt und vergrößern sich zur Per-
meatseite. Zusammengesetzte oder Composite-Membranen bestehen aus zwei (oder
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 18 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
mehreren) Schichten, die sich in ihrer Struktur unterscheiden. In den meisten Fällen
übernimmt die Oberschicht die Trennwirkung und die untere Schicht die Stützfunktion
(Abb. 3.1).
Abb. 3.1 Schematische Darstellung verschiedener Membranstrukturen
3.3 Überblick Membrantrennprozesse
Aus den unterschiedlichsten Anforderungen an die Stofftrennung ist eine Vielzahl von
Membranverfahren entstanden. Die Unterteilung der verschiedenen Verfahren erfolgt
nach:
• der treibenden Kraft für den Filtrationsvorgang,
• dem Typ der eingesetzten Membran,
• der Art der abzutrennenden Stoffe.
In der folgenden Tabelle ist der Umfang der Membrantrennprozesse auszugsweise
dargestellt. Im Zusammenhang mit diesem Forschungsvorhaben ist nur die Mikro- und
Ultrafiltration mit dem Ziel, partikuläre Stoffe zurück zu halten, von Interesse. Auf ande-
re Prozesse wird hier nicht näher eingegangen, zur Übersicht aber teilweise mit aufge-
führt.
Tab. 3.1 Überblick Membrantrennprozesse (Chmiel, 1995, Auszug)
Membran-trennprozeß
Treibende Kraft Typ der eingesetzten Membran
Anwendung
Mikrofiltration Hydrostatische Druckdifferenz
Symmetrische oder a-symmetrische Poren-membran
Abtrennung von suspendierten Stoffen
Ultrafiltration Hydrostatische Druckdifferenz
Asymmetrische Poren-membran
Konzentrierung, Fraktionierung und Reinigung von makromo-lekularen Lösungen
Nanofiltration Hydrostatische Druckdifferenz
Löslichkeitsmembran Trennung organischer und anorganischer Stoffe
Umkehrosmo-se
Hydrostatische Druckdifferenz
Löslichkeitsmembran Konzentrierung von Stoffen mit niedriger Molekülmasse
Dialyse Konzentrations- differenz
Symmetrische Poren-membran
Abtrennung von Stoffen mit niedriger Molmasse
Elektrodialyse Elektrische Potentialdifferenz
Ionenaustauscher-membran
Entsalzung und Entsäuerung von Lösungen mit neutralen Stoffen geringer Molmasse
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 19 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
3.4 Trenngrenzen und Membranverfahren
Für die Auswahl eines bestimmten Membranverfahrens ist es zuerst notwendig, die
„Aufgabenverteilung“ in der kommunalen Abwasserreinigung deutlich abzugrenzen:
• die erforderliche Reinigungsleistung (Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifika-
tion) wird von Bakterien bewerkstelligt; die Phosphorelimination erfolgt in der Regel
durch Fällung mit Eisensalzen,
• die Trennstufe muß die Reaktionsprodukte (Bakterien und unlösliche, bereits in Flo-
ckenform überführte Fällprodukte) möglichst vollkommen abtrennen.
Die Membranen sind unter diesen Gesichtspunkten nur auf Rückhalt von Bakterien
auszulegen. Hierzu sind Mikrofiltrationsmembranen ausreichend. Die Abgrenzung der
Mikrofiltration zu anderen Membrantrennprozessen und das Spektrum der abzutren-
nenden Stoffe ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
100 µm 10 1 0,1 0,01
1000 nm 100 10 1 0,1 nm
0,001 µm
Sandfiltration
Mikrofiltration
Ultrafiltration
Nanofiltration
UmkehrosmoseHaare noch
sichtbarHämo-globin
kleinsteMikroorganismen
Kinderlähmungs-virus
Pollen Hefen
Bakterien Viren gelöste Salze
Kolloide organ. Verbindungen
organische Makromoleküle
Abb. 3.2 Einteilung Trenngrenzen und Membranverfahren
Membranen zur Abtrennung von belebtem Schlamm oder zum vollständigen Rückhalt
von Schwebstoffen aus dem Ablauf der Nachklärbecken weisen in der Regel Poren-
größen zwischen 0,1 und 0,4 µm auf.
3.5 Verfahrensweisen zur Mikrofiltration
In Abb. 3.3 sind die prinzipiellen Verfahrensweisen zur Mikrofiltration von Suspensionen
dargestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 20 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Dynamische Filtration(Crossflow oder Querstromfiltration)
Zeit
Deckschicht-dicke
Permeatstrom
Suspensions-strom
Deckschicht
Membran
Permeatstrom
Statische Filtration(Dead-end)
Zeit
Deckschicht-dicke
Permeatstrom
Rückspülung
Abb. 3.3 Verfahrensweisen zur Mikrofiltration
Die statische Mikrofiltration (dead-end Filtration) kann mit der klassischen Kuchen-
filtration verglichen werden. Hier ist die Fließrichtung des Flusses orthogonal zur Memb-
ran. Alle Stoffe, die zurückgehalten werden, tragen zur Ausbildung eines Filterkuchens
bei, dessen Dicke proportional zum Gesamtdurchsatz anwächst. Entsprechend dem
anwachsenden Filterkuchen reduziert sich der Permeatstrom. Ein Rücktransportme-
chanismus von Partikeln in die Suspension existiert praktisch nicht. Der abgelagerte
Filterkuchen muß periodisch zurückgespült und entfernt werden. Dieses Verfahren eig-
net sich nur bei Abwässern mit geringen Feststoffkonzentrationen (kleiner 50 mg/l).
Haupteinsatzgebiet bleibt daher die der Nachklärung anschließende Mikrofiltration zur
Entkeimung und/oder zur P-Entfernung. Auf diese Verfahrensweise wird hier nicht wei-
ter eingegangen.
Bei der crossflow-Filtration wird die zu filtrierende Suspension parallel zur Membran-
oberfläche bewegt. Das Permeat läuft dagegen senkrecht zur Membranoberfläche ab.
Die zwei Hauptströmungsrichtungen stehen kreuzweise aufeinander. Durch die Über-
strömung der Membran kann der Deckschichtbildung durch die Ablagerung von Fest-
stoffen auf der Membranoberfläche entgegengewirkt werden; ganz zu vermeiden ist sie
aber nicht. Aufgrund dieser Deckschichtbildung nimmt der anfängliche Filtratvolumen-
strom schnell ab, erreicht aber einen stabilen Endwert.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 21 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
3.6 Begriffsdefinitionen bei der crossflow-Mikrofiltration
Um einen deutliche Abgrenzung der Membranfiltration zur konventionellen Filtration
(Sandfiltration) zu erzielen, wird im Zusammenhang mit dieser Arbeit im Zusammen-
hang mit dem Ablauf der Membranstufe immer von Permeat gesprochen. Auch wenn
der Begriff „Permeat“ in der Fachliteratur oft nur für Lösungs-Diffusions-Membranen
und nicht für Porenmembranen steht, wird in diesem Zusammenhang der Begriff Per-
meat bevorzugt. Es soll damit eine deutliche Abgrenzung des Ablaufs einer Membran-
stufe, die mit Permeat bezeichnet, wird vom Ablauf einer (Sand-) Filtrationsstufe herge-
stellt werden.
In Abb. 3.4 sind die wichtigsten Begriffe für die crossflow-Mikrofiltration grafisch zu-
sammengestellt.
Zulauf(Feed)
Permeat
Retentat
VF
pF
cF VP
pP
cP
VR
pR
cRMembranAM
ÜberströmgeschwindigkeitvÜ
Abb. 3.4 Begriffsdefinitionen bei der crossflow-Mikrofiltration
Der spezifische Permeatvolumenstrom (vP), auch als Fluß bezeichnet, ist die maßge-
bende Größe zur Beschreibung der hydraulischen Leistung eines Membransystems. Er
errechnet sich aus dem Permeatvolumenstrom bezogen auf die Membranfläche.
spezifischer Permeatstrom (Fluß):
⋅=⋅=
•
h2m
lAV
dtdV
A1
vM
PP
MP Gl. 16
An dieser Stelle kann auch auf die spätere Auswertung verwiesen werden. Der Fluß
errechnet sich aus dem Permeat- bzw. aus dem effektiven Ablaufvolumenstrom. Bei
instationären Verhältnissen kann nur ein mittlerer Fluß angegeben werden. Dieser wird
durch Wahl eines genügend großen Zeitintervalles dt ermittelt.
Die transmembrane Druckdifferenz (∆pTM) ist die treibende Kraft für den Filtrationsvor-
gang. Im allgemeinen wird die transmembrane Druckdifferenz aus dem mittleren Über-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 22 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
druck auf der Suspensionsseite (pF, pR) und dem Druck auf der Permeatseite (pP) ermit-
telt.
transmembrane Druckdifferenz [ ]barp2
ppTMp P
RF −+
=∆ Gl. 17
Unter dem Begriff der hydraulischen Permeabilität wird das Verhältnis aus Permeatvo-
lumenstrom (Fluß) zu transmembraner Druckdifferenz verstanden. Die hydraulische
Permeabilität ist ein wichtiges Maß für die Durchlässigkeit der Membran.
hydraulische Permeabilität [ ]barpv
LTM
PP ∆
= Gl. 18
Auf die Einflußfaktoren der crossflow Mikrofiltration wird im nächsten Kapitel eingegan-
gen.
3.7 Modellvorstellungen zum Stoffaustausch bei der crossflow-Mikrofiltration
Mit einem Modell soll ein mathematisch und physikalisch sinnvoller Zusammenhang
zwischen den wichtigsten Ein- und Ausgangsgrößen eines Prozesses hergestellt wer-
den. Die wichtigste Ausgangsgröße ist hierbei der transmembrane Fluß. Die Einfluß-
größen bei der crossflow-Mikrofiltration sind:
• die transmembrane Druckdifferenz ∆pTM,
• die Geschwindigkeit der Membranüberströmung vÜ bzw. die Turbulenz auf der O-
berfläche der Membran,
• die Geometrie des Strömungskanals,
• die Konzentration der abzutrennenden Stoffe (hier: TS-Gehalt),
• Eigenschaften der abzutrennenden Stoffe (Partikelgröße, Konsistenz),
• Eigenschaften der Flüssigkeit (Viskosität),
• oberflächenaktive Stoffe in Verbindung mit den Oberflächeneigenschaften der
Membran und der Partikel.
Für die Beschreibung der crossflow-Filtration sind zwei Phasen zu unterscheiden. In
einer ersten Phase, der instationären Phase, kommt es zum Aufbau der Deckschicht.
Durch den vollkommenen Rückhalt lagern sich auf der Membran Partikel ab. Gleichzei-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 23 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
tig werden Partikel durch Scherkräfte abgetragen. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein
zwischen deckschichtbildenden Ablagerungs- und deckschichtmindernden Abtra-
gungsvorgängen. Auf diese instationäre Phase wird im weiteren nicht eingegangen.
Von Interesse ist nur die stationäre Phase mit ausgebildeter und konstanter Deck-
schicht.
Um zu einem Modell zur Beschreibung des Stoffaustausches im stationären Zustand zu
gelangen, ist die Situation an der Membranoberfläche detaillierter zu betrachten. Auf-
grund von Wandschubspannungen entwickelt sich ein Geschwindigkeitsprofil mit zur
Membranoberfläche abnehmenden Werten. Die wirkenden Scherkräfte führen zu einer
Reinigung der Membranoberfläche.
RD
RM
∆ptM
∆pM ∆pD
vÜ
Abb. 3.5. Physikalische Überlegungen zur crossflow-Mikrofiltration
Ein einziges Modell wird niemals in der Lage sein, die entsprechenden Parameter mit-
einander zu verbinden und auch noch zu den experimentellen Daten zu korrelieren.
Dies gilt insbesondere bei dem hier vorliegenden Fall der Abtrennung von belebtem
Schlamm, dessen Eigenschaften sich infolge der Abwasserzusammensetzung ändern
können.
In der Literatur ist eine Vielzahl von Modellen für die crossflow-Mikrofiltration beschrie-
ben (Ripperger, 1993). Ein einfaches Modell ist das Deckschichtmodell. Es gibt den
Zusammenhang zwischen Permeatfluß und Strömungswiderständen in Membran und
Deckschicht an. Der Widerstand bzw. der Druckabfall entsteht aufgrund der Strömung
durch die Poren der Membran und der Deckschicht (vgl. Rohrströmung, Gesetz von
Hagen-Poiseuille).
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 24 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
⋅+⋅η∆=
h²ml
)RR(p
vDM
TMP Gl. 19
Im weiteren wird der Zusammenhang zwischen Transmembrandruck und Permeatfluß
näher betrachtet (siehe Abb. 3.6). Bei kleinen Druckdifferenzen und entsprechend klei-
nen Flüssen kann davon ausgegangen werden, daß die Dicke der Deckschicht sehr
gering ist. Der Abtragungsmechanismus überwiegt den Anlagerungsmechanismus. Der
Fluß ist der anliegenden Druckdifferenz proportional (vP ~ ∆p). In diesem Bereich
spricht man von einer membrankontrollierten Filtration. Hierbei bestimmen die Eigen-
schaften der Membran (Porosität, Membrandicke) maßgeblich den Fluß.
Bei größeren transmembranen Drücken und entsprechend höheren Flüssen werden
verstärkt Partikel auf der Oberfläche der Membran abgelagert. Bei gleichen Überströ-
mungsbedingungen überwiegt dann der Antransport von Partikeln den Abtransport und
die Deckschichtdicke nimmt zu. Dies hat eine Reduzierung des Flusses zur Folge, bis
wieder ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der Fluß ist von der transmembranen
Druckdifferenz unabhängig und kann nicht mehr gesteigert werden (vP = konstant). Der
Filtrationsvorgang ist deckschichtkontrolliert.
Die Überströmgeschwindigkeit beeinflußt maßgeblich die Größe des konstanten Flus-
ses. Je höher die Überströmgeschwindigkeit gewählt wird, desto größer sind die Scher-
kräfte, die auf abgelagerte Partikel wirken. Der Zustand, bei dem die Anlagerung von
Partikeln den Abtransport überwiegt, wird bei größerer Überströmgeschwindigkeit erst
bei höheren transmembranen Drücken und einem höheren Fluß erreicht.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 25 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
transmembrane Druckdifferenz ∆pTM [bar]
spez
ifisc
her
Per
mea
tfluß
v
3
[l/(
m²h
)]
membran-kontrollierteFiltration
deckschichtkontrollierteFiltration
vP ~ ∆pTM vP = const
vÜ2
vÜ1 vÜ1 < vÜ2
Abb. 3.6 Zusammenhang zwischen Druck und Fluß bei der crossflow-Filtration
Aus dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß zur Erhaltung der hydraulischen Flexibili-
tät des Membransystems bei einer gegebenen, konstanten Überströmgeschwindigkeit
(oder Turbulenz) die transmembrane Druckdifferenz nur im Bereich der membrankon-
trollierten Filtration verändert werden darf. Darüber hinaus gehende Drücke führen nicht
mehr zur Erhöhung des Flusses.
3.8 Temperatureinfluß
Ausgehend vom Deckschichtmodell bestimmen drei temperaturabhängige Parameter
den Fluß:
• Viskosität des Wassers (Permeat!),
• Membranwiderstand (Porosität),
• Deckschichtwiderstand.
Für die Viskosität des Abwassers (des Permeats und nicht des belebten Schlamms!)
wird vereinfacht die Viskosität von Wasser angenommen. Hier gilt der in Abb. 2 darge-
stellte Zusammenhang. Der Einfluß der Temperatur auf die beiden Widerstände kann
nicht angegeben werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 26 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Temperatur in °C
Dyn
. Vis
kosi
tät η
[Pa
s]
Ausgleichsfunktionη =1,78 *e(-0,061*T^0,75)
Abb. 3.7 Zusammenhang zwischen Temperatur und Viskosität für Wasser
In der weiteren Ausarbeitung wird zur Standardisierung mit folgender Viskositätsfunkti-
on gearbeitet:
⋅−⋅=η
75,0T061,0
)T( e78,1 Gl. 20
Die Flüsse und damit auch die hydraulische Permeabilitäten werden entsprechend der
folgenden Gleichung auf eine Temperatur von 10 °C normiert.
3,1e78,1
vvv
75,0T061,0
T,PC10
tT,PC10,P
⋅−
°°
⋅⋅=ηη
⋅= Gl. 21
mit T Temperatur in °C
Ausgehend von diesem Zusammenhang bewirkt eine Erniedrigung der Temperatur von
20 auf 10 °C eine Erhöhung der Viskosität von 1,0 auf 1,3 Pa⋅s und entsprechend eine
Verringerung des Flusses um den Faktor 1/1,3 = 0,77. Die bedeutet, daß bei sonst glei-
chen Randbedingungen die 1,3-fache Membranfläche benötigt wird, um den Anlagen-
durchsatz konstant zu halten.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 27 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
3.9 Module zur crossflow-Mikrofiltration
Zur Umsetzung der Membrantechnologie in eine verfahrenstechnische Lösung müssen
die Membranen entsprechend den Anforderungen konfiguriert werden. Üblicherweise
werden folgende Module zur Abtrennung von belebtem Schlamm eingesetzt:
• Rohrmodule,
• Plattenmodule,
• Hohlfasermodule.
Die Modulkonfigurationen sind schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt. Die
Beschreibung erfolgt im Hinblick auf das Forschungsvorhaben und ist nicht Allgemein-
gültig.
Plattenmodul Hohlfasermodul
Stützplatte
Membran
bis zu 100 Platten über 1000Fasern
Rohrmodul
Membran
Stützrohr
Permeat
Membranca. 3 mm
6 bis 25 mm
ca. 8 - 10 mm
bis zu 125 Einzelrohre
Luft/Flüssigkeit Luft/Flüssigkeit
Flüssigkeit
PermeatPermeat
Abb. 3.8 Schematische Darstellung verschiedener Modulformen
Rohrmodule bestehen aus Membranschläuchen mit einem Innendurchmesser von 6 bis
24 mm. Da die Schläuche selbst nicht druckfest sind, ist ein Stützrohr zur Aufnahme
des Druckes erforderlich. Die Filtration erfolgt von innen nach außen. Mehrere Einzel-
rohre können in einem Modulrohr zusammengefaßt werden. Der crossflow wird durch
einen - üblicherweise von einer Pumpe erzeugten - Flüssigkeitsstrom geschaffen.
Plattenmodule bestehen aus parallel mit einem Abstand von ca. 8 bis 10 mm angeord-
neten Platten. Die Membranplatten sind aus einer Stützplatte mit Drainageeinrichtung
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 28 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
und beidseitig aufgebrachten Flachmembranen zusammengesetzt. Der Permeatabzug
erfolgt an einer Stelle der Platte über eine Anschlußleitung.
Hohlfasermodule bestehen aus druckfesten, selbsttragenden Membranschläuchen mit
einem Innendurchmesser von 1 bis 1,5 mm und einem Außendurchmesser von 2 bis 3
mm. Die einzelnen Fasern sind an beiden Enden in Permeatsammelleitungen einge-
klebt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 29 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
4 Aufbau der Versuchsanlagen
4.1 Auswahl der Systeme
Ausgehend von einer Angebotsanfrage der SAG wurde Ende 1996 die Firma WABAG,
Wassertechnische Anlagen GmbH & Co. KG, Kulmbach, zur Erstellung einer Ver-
suchsanlage mit Plattenmembranen (System WABAG) und die Firma Zenon GmbH,
Düsseldorf, zur Erstellung einer Versuchsanlage mit Hohlfasermembranen (System
ZENON) beauftragt. Im August 1997 erfolgte die Beauftragung der Firma Berghof Filtra-
tions- und Anlagentechnik GmbH & Co. KG, Eningen, zur Erstellung einer Anlage mit
Rohrmembranen (System BERGHOF).
4.2 Zielvorgaben und Gesamtkonzeption
Die Versuchsanlagen wurden hinsichtlich der Anforderungen an den zukünftigen Aus-
bau der Kläranlage Immenstaad konzipiert. Mit den Versuchsergebnissen sollte die
Möglichkeit geschaffen werden, die Gesamtanlage mit Membrantechnologie auszurüs-
ten. Von daher war ein geeigneter Versuchsmaßstab zu wählen, der eine sichere Pla-
nung der großtechnischen Membrananlage auf der Basis der Versuchsergebnisse er-
möglichte. Die Wahl des Versuchsmaßstabes wurde aber gleichzeitig von der Forde-
rung dominiert, großtechnische Module, wie sie auch bei einer Großanlage zur Anwen-
dung kommen würden, zu verwenden. Auf Basis dieser Überlegungen und der vorhan-
denen großtechnischen Module wurde als hydraulischer Versuchsmaßstab der Faktor
1/500 gewählt.
In Abb. 4.1 ist schematisch der Aufbau der Versuchsanlagen und die Einbindung in die
vorhanden Kläranlage dargestellt. Die Beschickung der Versuchsanlagen erfolgte
hauptsächlich mit vorgeklärtem Abwasser. Nur in einem kurzen Versuchsabschnitt
wurden die Anlagen mit dem Zulauf zum Vorklärbecken beschickt. Von besonderer Be-
deutung für die Versuchsanlagen ist in diesem Zusammenhang die Betriebsweise des
Vorklärbeckens. Aufgrund von Problemen mit den installierten Saugräumern und einer
zu flachen Sohle, wurde der abgesetzte Schlamm periodisch aufgewirbelt und dann mit
den Saugräumern entfernt. Zeitweise gelangten so vermehrt Feststoffe in den Ablauf
der Vorklärbecken und damit in den Zulauf zu den Versuchsanlagen. Das Rückbelas-
tungswasser aus der Schlammbehandlung (maschinelle Überschuß- und Faul-
schlammeindickung) wurde in fast allen Versuchsabschnitten in den Zulauf zum Sand-
fang geleitet und gelang somit auch in die Versuchsanlagen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 30 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die Zulaufvolumenströme wurden durch regelbare Exzenterschneckenpumpen für jede
Anlage auf die gewünschte Menge eingestellt. Der Sollwert für den Zulaufvolumen-
strom wurde von dabei vom Meßwerterfassungs-System der Universität Stuttgart vor-
gegeben und die Anlagen mußten diese Wassermenge abarbeiten.
Die Systeme WABAG und ZENON wurden mit einer vorgeschalteten Denitrifikations-
zone ausgestattet. Die Rezirkulation von der Nitrifikations- in die Denitrifikationszone
erfolgte durchgehend mit ca. 250 bis 350 % des Zulaufvolumenstromes. Die Anlage
BERGHOF wies eine intermittierende Nitrifikation und Denitrifikation in einem Becken
auf.
VKB
WABAG
ZENON
Sieb3 mm
DN NRezirkulation
AblaufRechen
DN NRezirkulation
Luft
Luft
Belebungs-becken
BERGHOF
N/DN
getauchtePlatten-module
getauchteHohlfaser-
module
externeRohrmodule
Rückbelastungaus Schlamm-
behandlung
Sand-fang
Abb. 4.1 Darstellung der Gesamtkonzeption
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 31 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Für die Durchführung der Versuche wurde vom Abwasserverband eine Pumpe im Ab-
lauf der Vorklärung installiert und eine Leitung zum Aufstellungsort der Versuchsanla-
gen verlegt. Zum Schutz der Versuchsanlagen vor Störstoffen wurde zusätzlich ein
Schutzsieb mit einer Maschenweite von 3 mm installiert. Aus dem Vorlagebehälter
nach dem Sieb erfolgte die Beschickung der Versuchsanlagen.
4.3 Detaillierte Beschreibung der Anlage WABAG
4.3.1 Aufbau der Versuchsanlage WABAG
Die Versuchsanlage WABAG wurde vor Ort aufgebaut und mit einem Zelt überdacht.
Der Aufbau der Anlage ist in der Abb. 4.2 schematisch dargestellt.
Die Anlage bestand aus einem rechteckigen Nitrifikationsbecken (1,08 x 2,00 m) und
einem runden Denitrifikationsbecken (∅ 1,00 m). Die Füllhöhe des Nitrifikationsbeckens
variierte zwischen 2,9 und maximal 3,4 m. In der Regel wurde ein Füllstand von 3,1 m,
entsprechend ein Nitrifikationsvolumen von 6,7 m³, eingestellt. Das Denitrifikationsbe-
cken mit einem festen Volumen von 2,75 m³ wurde mit Hilfe einer Tauchpumpe umge-
wälzt. Die Rezirkulation erfolgte über eine manuell regelbare Exzenterschneckenpum-
pe. Eine Messung der Rezirkulationsvolumenstroms erfolgte nicht, sondern wurde indi-
rekt aus der Kennlinie der Pumpe bestimmt.
Die Luftzufuhr erfolgte über ein Drehkolbengebläse (40 bis 120 Nm3/h; 400 mbar,
4,0 kW). Die Regulierung der Luftmenge wurde in der ersten Versuchshälfte mit einem
Drosselschieber vorgenommen und anschließend mit einem Frequenzumrichter. Der
Luftvolumenstrom wurde kontinuierlich erfaßt und registriert.
Bei der Versuchsanlage WABAG wurde ein Plattenmodul Typ A 100 mit einer Oberflä-
che von 80 m² (Angabe des Herstellers) in das Nitrifikationsbecken eingesetzt. Dieses
bestand aus insgesamt 100, in einem Abstand von 8 mm parallel und senkrecht ange-
ordneten Einzelplatten mit einer Abmessung von jeweils 1,0 x 0,5 m. Die Platten waren
auf einer Höhe von 1,5 bis 2,5 m angeordnet, der Überstand betrug bei einer Füllhöhe
von 3,1 m ca. 0,6 m. Die Abmessungen des Moduls einschließlich Gehäuse betrugen in
der Draufsicht 1,6 x 0,6 m. Das Gehäuse (Leitrohr) diente der Schaffung von definierten
Strömungsverhältnissen. Die Netto-Aufströmfläche zwischen den Platten betrug ca.
0,4 m². Der Abströmbereich hatte eine Fläche von 1,2 m².
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 32 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die Stützplatte besteht aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polymer (ABS) und besitzt beid-
seitig eingefräßte Drainagerillen. Die Membran, die aus chloriertem Polyethylen be-
steht, ist beidseitig auf die Trägerplatte aufgeschweißt. Die Porengröße beträgt ca.
0,2 µm. Zwischen Membran und Platte noch ein Drainageflies eingebracht um die Ab-
leitung des Permeats zu erleichtern. An jeder Platte ist an der oberen Stirnseite ein
Permeatabzugsnippel angebracht. Eine Schlauchleitung verbindet die Einzelplatte zu
einem Permeatsammelrohr.
20001600
1080
600
1000
1 PlattenmodulTyp A 100
3500
Höhe Niveau-messung
z Niv=
400
Niv
eaua
nzei
ge (
250
bis
300
mba
r)
Höhe variabel
4000
Luft
Permeat
1450
TauchpumpezurUmwälzung
Rezirkulation
1000
500
V = 2,75 m³ V = 6,3 bis 7,3 m³
Zulauf
Rezi-pumpe
Was
sert
iefe
= 2
900
bis
3400
(z B
B)
1050
M
Druckmessung
Rezirkulationz M
eß =
258
0
Luft/Flüssigkeit
GebläseLuft
M
PermeatpumpeStellschieber
Permeat
Permeatsammler
Belüftung
Gehäuse
NitrifikationDenitrifikation
Abb. 4.2 Aufbau der Versuchsanlage WABAG (ohne Maßstab, Angaben in mm)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 33 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die Permeatleitung wurde unterhalb des Wasserspiegels aus dem Behälter zur Per-
meatpumpe geführt. Außerhalb des Beckens war eine Permeatpumpe und ein Stell-
schieber angeordnet. Zu Versuchsbeginn wurde der Permeatvolumenstrom bei kon-
stanter Pumpenleistung nur über den angesteuerten Stellschieber eingestellt. In der
zweiten Versuchshälfte wurde die Permeatpumpe mit einem Frequenzumrichter aus-
gestattet und der Stellschieber diente nur noch zum Abschiebern der Leitung. Die Mes-
sung des Unterdrucks in der Permeatleitung erfolgte über eine Druckmeßzelle vor der
Permeatpumpe in eine Höhe von 2,58 m. Die Betriebsweise des Permeatabzugs wird
im folgenden Kapitel erläutert.
Die Belüftungselemente sind direkt unter dem Gehäuse in einer Höhe von ca. 0,5 m
angeordnet, die Eintauchtiefe beträgt ca. 2,6 m. Zu Versuchsbeginn erfolgte die Belüf-
tung mit einem Verteilerrohrsystem (grobblasig, 16 Löcher mit je 10 mm Durchmesser).
Diese Belüftung wurde im Versuchskauf gegen 6 Gummimembran-Rohrbelüfter (fein-
blasig) mit jeweils 0,5 m Länge ersetzt.
Die Zusammenstellung der wesentlichen Kennwerte erfolgt in Kapitel 4.6.
4.3.2 Funktionsprinzip der Anlage WABAG
In Abb. 4.3 ist das Funktionsprinzip der Anlage WABAG schematisch dargestellt.
Permeat-pumpe
im IntervallbetriebGebläse
Zulauf aus DN
getauchtePlatten-module
Luft
Belüftung Zeit
Per
mea
tvol
umen Filtration Pause
8 min 2 min
RZ zur DN
∆VP
∆t
Abb. 4.3 Funktionsprinzip der Anlage WABAG (Belüftung und Permeatabzug)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 34 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
4.3.2.1 Stickstoffelimination
Die Stickstoffelimination erfolgte bei der Anlage WABAG durch Nitrifikation und vorge-
schaltete Denitrifikation. Dieses Verfahren wird nicht weiter erläutert.
4.3.2.2 Belüftung Membranen und Biologie
Die Luftzufuhr hatte bei der Anlage WABAG eine doppelte Funktion zu erfüllen:
• Schaffung der notwendigen Überströmgeschwindigkeit bzw. Turbulenz zur Kon-
trolle der Deckschicht,
• Sauerstoffversorgung der Biologie.
Die unter das Plattenmodul eingebrachte Luft erzeugt im Gehäuse eine Aufwärtsströ-
mung. Die hierfür erforderliche Luftmenge betrug nach Herstellerangaben 60 Nm³/h.
Das Luft/Wasser-Gemisch durchströmt den Modulbereich und erzeugt hier die notwen-
digen Scherkräfte zur Kontrolle der Deckschicht. Im Randbereich ist die Strömung ab-
wärts gerichtet. Die Geschwindigkeit im Plattenquerschnitt wurden nicht bestimmt, kann
aber zu ca. 1 bis 1,5 m/s abgeschätzt werden. Entsprechend der gegebenen Flächen-
verteilung beträgt die Geschwindigkeit im Abströmbereich dann ca.0,3 bis 0,5 m/s. Die
eingebrachte Luft dient gleichzeitig zur Deckung des Sauerstoffberdarfs der Biologie.
Der Sauerstoffübergang erfolgt hauptsächlich im Aufströmbereich, da aufgrund der ge-
ringen Abströmgeschwindigkeit kaum Luftblasen mit nach unten gezogen werden. Eine
Entkoppelung der beiden Vorgänge ist nicht möglich.
4.3.2.3 Permeatabzug
Die Filtration erfolgte in Intervallen. Einer Filtrationszeit von 8 min folgte eine Pause von
2 min, in der kein Permeat abgezogen wurde, die Belüftung aber konstant blieb. Diese
Betriebsweise hat sich nach Angabe des Herstellers zur Aufrechterhaltung eines kon-
stanten Permeatflusses bewährt und wurde nicht verändert. Für die Berechnung des
Flusses wurde in der späteren Auswertung immer das effektive Permeatvolumen, ein-
schließlich der Pausenzeit, berücksichtigt. Der tatsächliche Membranfluß im Zeitintervall
der Filtration ist um 25 % höher als der angegebene effektive Fluß.
Die Anpassung an die variablen Zulaufvolumenströme erfolgte dadurch, indem der
Permeatstrom in der Filtrationszeit variiert wurde. Aus einer Messung des Füllniveaus
und Vergleich mit dem Sollwert ermittelte ein Regler das Stellglied für den Stellschieber
bzw. für den Frequenzumrichter.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 35 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
4.4 Detaillierte Beschreibung der Anlage ZENON
4.4.1 Aufbau der Versuchsanlage ZENON
Die Versuchsanlage ZENON wurde anschlußbereit in einem Container angeliefert. In
Abb. 4.4 ist der Aufbau der Versuchsanlage im Originalzustand dargestellt in Abb. 4.5
ist die Anlage nach dem Umbau gezeigt.
Im Originalzustand bestand die Anlage aus einem dreiteiligen Rechteckbecken mit ei-
nem Denitrifikationsteil von 1,3 x1,01 m, einem Nitrifikationsteil mit 8 Tellerbelüftern von
0,66 x 1,3 m und einem Filtrationsteil mit 0,78 x 1,3 m. Im Filtrationsteil wurden 6 Mem-
branmodule vom Typ ZW150 eingestellt. Die Trennung zwischen Denitrifikation und
Nitrifikation erfolgte durch eine unterströmte Trennwand. Die Trennwand zwischen Fil-
tration und Nitrifikation wurde überströmt und sicherte einen konstanten Füllstand von
2,20 m im Filtrationsteil (V = 2,2 m³). Die Füllhöhe im DN- und N-Teil variierte nur mini-
mal um den eingestellten Sollwert, üblicherweise 90 % entsprechend 2,10 m. Damit
betrug das DN-Volumen ca. 2,75 m³ und das N-Volumen ca. 1,8 m³. Die Rezirkulation
von der Nitrifikation in die Denitrifikation erfolgte mit ca. 300 %, die Zirkulation von der
Nitrifikation in die Filtration erfolgte mit ca. 700 %. Die Umwälzung des Denitrifikation-
beckens erfolgte mit einer eingehängten Tauchpumpe.
Die Belüftung der Anlage erfolgte mit zwei unabhängigen Drehschiebergebläsen. Die
Regelung der Gebläseleistung erfolgt über Frequenzumrichter. Das Gebläse für die
Biologie (Tellerbelüfter) wird vom Sauerstoffgehalt in der Nitrifikationszone geregelt.
Das Gebläse zur Belüftung der Membranen wird dem Permeatvolumenstrom angepaßt.
In das Filtrationsbecken sind insgesamt 6 Module vom Typ ZW150 eingestellt. Jedes
Modul hat eine Membranfläche von 13,9 m² (Herstellerangabe). Die Hohlfasermodule
bestehen aus druckfesten, selbsttragenden Membranschläuchen mit einem Innen-
durchmesser von 1 bis 1,5 mm und einem Außendurchmesser von ca. 2 bis 3 mm. Die
einzelnen Fasern sind an beiden Enden in Permeatsammelleitungen eingeklebt und
hängen locker zwischen den beiden Enden. Die Höhe eines Moduls einschließlich
Permeatsammelleitung beträgt 1,80 m. Die Luftzufuhr erfolgt am unteren Ende des
Moduls an beiden Seiten des Permeatsammelrohrs. Durch das aufsteigende
Luft/Wasser-Gemisch werden die Membranen in Bewegung versetzt und die Turbulenz
erzeugt die notwendigen Scherkräfte zur Kontrolle der Deckschicht.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 36 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die Permeatleitung führte von den Permeatsammlern zu einer Permeatpumpe mit an-
geschlossenem Rückspülsystem. Vor der Permeatpumpe ist in 1,86 m Höhe die
Druckmessung (Absolutdruck) angebracht. Die Beschreibung des Filtrationsprozesses
erfolgt in 4.4.2. Die Module können nicht einzeln betrieben werden.
1010 660 780
1440
2450
1300
2500
100
% =
230
0; h
äufig
90
% =
2100
600
1800
2400
Tellerbelüfter
Permeatpumpe
8 Tellerbelüfter
100 50
850
500
200
2200
(be
i 100
%)
Tauchpumpezur Umwälzung
6 MembranmoduleTyp ZW150
z Meß
=186
0
VN+F = 3,9 bis 4,3 m³VDN = 2,75 bis 3,0 m³
Zulauf Druckmessung
Höhe variabel
Nitrifikation Filtration
Gebläse
Membranen
Biologie
Trennwand
BelüftungMembranen
Denitrifikation
Abb. 4.4 Aufbau der Versuchsanlage ZENON im Originalzustand (ohne Maß-stab, Angaben in mm)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 37 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei den Umbaumaßnahmen wurden die 6 Module vom Typ ZW150 durch 2 neue Mo-
dule vom Typ ZW500 (CFA, 0,1 µm) mit einer Membranfläche von je 40 m² (Angaben
des Herstellers) ausgetauscht. Dadurch reduzierte sich die Membranfläche von 83,4
auf 80 m². Die Trennwand zwischen Nitrifikations- und Membranbecken wurde heraus-
genommen und die Zirkulation vom Nitrifikations- in das Filtrationsbecken abgestellt.
Zusätzlich wurden zwei Tellerbelüfter eingebaut. Um die beiden Membranmodule wur-
de ein Gehäuse zur besseren Strömungsführung installiert. Beide Module konnten se-
parat betrieben werden. Die geänderte Betriebsweise des Permeatabzugs wird im fol-
genden Abschnitt beschrieben.
Permeatpumpe
10 Tellerbelüfter
Tauchpumpezur Umwälzung
Zulauf DruckmessungNitrifikation
Gebläse
Membranen
Biologie
200 50600
800
500
2 MembranmoduleTyp ZW 500
Denitrifikation
Rezirkulation
Abb. 4.5 Aufbau der Versuchsanlage ZENON nach dem Umbau (ohne Maßstab, Angaben in mm)
4.4.2 Funktionsprinzip der Anlage ZENON
In Abb. 4.6 ist das Funktionsprinzip der Anlage ZENON schematisch dargestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 38 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Permeat-pumpe
mit Rückspülung
Gebläse
Zulauf aus DN
getauchteHohlfaser-
module
Membranen(grobblasig)
BelüftungBiologie
(feinblasig)
Permeat-speicher
Zeit
Per
mea
tvol
umen
Rück-spülung
z.B.: 240 s 20 sFiltration
RZ in DN
∆VP
∆t
Abb. 4.6 Funktionsprinzip der Anlage ZENON (Belüftung und Permeatabzug)
4.4.2.1 Stickstoffelimination
Die Stickstoffelimination erfolgte bei der Anlage ZENON durch Nitrifikation und vorge-
schaltete Denitrifikation. Dieses Verfahren wird nicht weiter erläutert.
4.4.2.2 Belüftung Membranen und Biologie
Aufgrund der getrennten Gebläse und Belüftungseinrichtungen war bei der Anlage ZE-
NON die Sauerstoffversorgung der Biologie und die Belüftung der Membranen weitest-
gehend entkoppelt. Die Sauerstoffversorgung der Biologie erfolgte über ein separates
Gebläse und mit feinblasigen, am Boden des Beckens angeordneten Tellerbelüftern.
Die stufenlose Regelung der Gebläseleistung erfolgte in Abhängigkeit der Sauerstoff-
konzentration im Becken. Der Luftvolumenstrom konnte zwischen 0 und 60 Nm³/h regu-
liert werden.
Die Belüftung der Membranen zur Erzeugung der notwendigen Turbulenzen erfolgte
über ein separates Gebläse. Die Gebläseleistung wurde dem Permeatvolumenstrom
angepaßt und konnte zwischen 40 und 80 Nm³/h variiert werden. Im Originalzustand
der Anlage konnten alle Module nur gleichzeitig belüftet werden. Nach dem Umbau
konnten die beiden Module vom Typ ZW500 einzeln belüftet werden.
4.4.2.3 Permeatabzug
Der Filtrationsvorgang wurde durch eine periodische Rückspülung unterbrochen. Nach
einer Filtrationszeit von beispielsweise 240 Sekunden erfolgte eine Rückspülung mit
Permeat für ca. 20 Sekunden. Hierzu wurde durch pneumatische Ventile die Leitungs-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 39 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
führung geändert und mit der Permeatpumpe aus einem Speicher Permeat in die
Membranmodule zurückgefördert. Der Rückspülvolumenstrom lag dabei in der gleichen
Größenordnung wie der Permeatvolumenstrom.
Die zurückgeführte Permeatmenge mußte erneut durch die Membranen gefördert wer-
den. In der Auswertung wird immer nur der effektive Fluß berücksichtigt. Bei diesen
Zeiteinstellungen war der tatsächliche transmembrane Fluß in der Filtrationszeit um ca.
18 % über dem effektiven Fluß (vgl. Abb. 4.6).
Die Anpassung an die variablen Zulaufvolumenströme erfolgt im Originalzustand nur
durch Variation des Permeatvolumenstroms in der Filtrationsphase. Alle Module wur-
den gleich belastet. Nach dem Umbau konnten die beiden Module einzeln angesteuert
werden. Bis zu einem bestimmten Volumenstrom wurde nur mit einem Modul filtriert.
Bei höheren Strömen wurde das zweite Modul hinzugeschalten.
4.5 Detaillierte Beschreibung der Anlage BERGHOF
4.5.1 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF
Die Versuchsanlage BERGHOF wurde vor Ort aufgebaut und mit einem Gerüst über-
dacht. Der Aufbau der Anlage ist in der Abb. 4.7 (Originalzustand) und in Abb. 4.8
(nach den Umbaumaßnahmen) schematisch dargestellt.
Die Einbecken-Biologie der Anlage BERGHOF bestand aus einem Rundbehälter mit
einem Durchmesser von 1,6 m und einer Füllhöhe zwischen 4,0 und 4,5 m, entspre-
chend einem Füllvolumen zwischen 8 und 9 m³. Im Behälter waren keine weiteren Ein-
bauten vorhanden.
Außerhalb des Behälters wurden 4 senkrecht stehende Rohrmodule mit einer Gesamt-
länge von je 3,0 m angeordnet. Zu Versuchsbeginn wurden Mehrkanal-Rohrmodule
vom Typ 37100 mit ca. 120 Einzelrohren (Innendurchmesser ca. 11 mm) eingesetzt.
Die Membranfläche eines Rohrmoduls betrug ca. 12,5 m². Die Rohrmembranen wur-
den während des Versuchs schrittweise durch Membranen vom Typ 61100 (ca. 100
Einzelrohre; Innendurchmesser ca. 11,5 mm) und einer Membranfläche von ca. 11 m²
ersetzt. Dadurch reduzierte sich die gesamte Membranfläche von 50 auf 44 m². Direkt
unter den Rohrmodulen wurden Kreiselpumpen angeordnet. Die Kreiselpumpen er-
zeugten die notwendige Überströmung der Membranen und die Belüftung der Biologie
durch den auf die Wasseroberfläche auftreffenden Flüssigkeitsstrahl. Bei einer Förder-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 40 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
höhe von 3 m WS betrug der Volumenstrom ca. 90 bis 100 m³/h (aus Pumpenkennli-
nie). Die ergab Überströmgeschwindigkeiten von ca. 2,5 m/s. Die aus Pumpe und
Rohrmodul bestehende Einheit wird als Loop bezeichnet.
Rohr-modul
1
2
3
4
350
770
1600 m
5000
1005
4000
bis
450
0
4 RohrmoduleTyp 37100 bzw. 61100
V = 8 bis 9 m³
Permeat
150
3000
pNiv
pzu
MotordeckelM
SchnittMembranmodul
Zulauf
Abb. 4.7 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF im Originalzustand (ohne Maß-stab, Angaben in mm)
Die Luftzufuhr erfolgte durch Oberflächenbelüftung (siehe folgenden Abschnitt). Im Ori-
ginalzustand der Anlage war auf dem Reaktor ein motorgesteuerter Deckel angebracht.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 41 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei den Umbaumaßnahmen wurden zwei Module zu Denitrifikationsmodulen umge-
baut. Hierzu wurden in den Reaktorkopf Bögen angebracht, die den austretenden Was-
serstrahl unter die Wasseroberfläche leiteten (Abb. 4.8). Der Deckel blieb dann ständig
geöffnet.
Zur Verbesserung der intermittierenden Denitrifikation und Nitrifikation wurde zusätzlich
ein Vorlagebehälter installiert, in dem der Zulauf zwischengespeichert werden konnte.
Rohr-modul
Permeat
Zulauf
Vorlage-behälter
M
Überlauf
V = 1 m³Umlenkbögen
bei Modul2 und 4
Magnetventil
Abb. 4.8 Aufbau der Versuchsanlage BERGHOF nach dem Umbau (ohne Maß-stab)
4.5.2 Funktionsprinzip der Anlage BERGHOF
4.5.2.1 Stickstoffelimination
Die Stickstoffelimination erfolgte bei der Anlage BERGHOF durch eine intermittierende
Nitrifikation/Denitrifikation in einer Einbecken-Biologie. Die Regelung der Nitrifikations-
und Denitrifikationsphasen erfolgte im Originalzustand durch eine Messung des Sauer-
stoffgehaltes im Becken. Diese Steuerung wurde durch einen online-Messung der Am-
monium-Ablaufkonzentration ersetzt. Zusätzlich erfolgte noch eine stoßweise Zugabe
des Zulaufs aus einem Vorlagebehälter um die Denitrifikationsgeschwindigkeit zu erhö-
hen. Der Zulaufvolumenstrom wurde in der Nitrifikationsphase zwischengespeichert.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 42 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
4.5.2.2 Belüftung Biologie und Anströmung Membranen
Die Sauerstoffversorgung der Biologie erfolgte bei der Anlage BERGHOF prinzipiell
durch eine Oberflächenbelüftung. Der aus dem Modul austretende Flüssigkeitsstrahl
wurde durch einen Bogen umgelenkt und trat horizontal in den Reaktorkopf ein. Beim
Auftreffen des Strahls auf der Wasseroberfläche wurde Umgebungsluft mitgerissen und
auf diese Weise die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen sichergestellt. Im Ori-
ginalzustand (siehe Abb. 4.9 a) wurde die intermittierende Nitrifikation und Denitrifikati-
on dadurch bewerkstelligt, daß durch einen Deckel der Luftzutritt zum Reaktorkopf un-
terbunden werden konnte.
In einer zweiten Versuchsanordnung wurde der Deckel entfernt und zwei der vorhan-
denen Module zu Denitrifikationsmodulen umgebaut (siehe Abb. 4.9 b). Hierzu wurde in
den Reaktorkopf ein Bogen angebracht, der den austretenden Flüssigkeitsstrahl unter
den Wasserspiegel führte und so den Lufteintrag verhinderte. Die beiden verbleibenden
Module dienten weiterhin der Belüftung.
Deckel mit Motor
M
Luft
Luft
Flüssigkeitsstrahl
2N-Module
Luft
Flüssigkeitsstrahl
Vorlage-behälter
M
Überlauf
Magnetventil
Zulauf
Zulauf
2DN-Module4 Module
a) Originalzustand b) nach Umbau
Abb. 4.9 Funktionsprinzip der Belüftung bei der Anlage BERGHOF
4.5.2.3 Permeatabzug
Der Permeatabzug erfolgte unter Ausnutzung der Höhendifferenz zwischen Behälterni-
veau und Auslauf Permeat. Die Permeatabgänge von jedem Modul wurden in einer
gemeinsamen Leitung nach unten geführt. Die Anpassung an die variablen Zulaufvo-
lumenströme erfolgte durch den betrieb einer unterschiedlichen Anzahl von Loops. Für
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 43 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
die Berechnung des Flusses wird der Permeatvolumenstrom immer auf die Anzahl der
Loops bezogen.
4.6 Zusammenstellung der wichtigsten technischen Kennwerte
In der folgenden Tabelle sind zur besseren Übersicht die wichtigsten Kennwerte der
Versuchsanlagen zusammengestellt.
Tab. 4.1 Zusammenstellung der wichtigsten technischen Kennwerte
BERGHOF WABAG ZENON
Membranen
Membranfläche 50 m² 80 m² 83,4 1)/80 m² 2)
Modulart Rohr Platten Hohlfaser
Porengröße 0,1 µm 0,2 µm 0,1 µm
Abmessungen dinnen ca. 11 mm, L = 3,0 m (Einzel-rohr)
ca. 0,5 x 1,0 m (Ein-zelplatte)
daußen ca. 2 mm, L = 1,80 m (Einzelfaser)
Anzahl 4 Rohrmodule mit je ca. 125 Rohr-membranen
1 Plattenmodul mit 100 Einzelplatten
6 Module ZW 1501)
2 Module ZW 5002)
Anordnung extern, senkrecht stehend
getaucht, 8 mm Plat-tenabstand
getaucht, Module mit ca. 2,5 cm Abstand
Reaktoren (mittlere Füllstände)
Nitrifikation 6.700 l 2,00x 1,08 x 3,10
3.900 l 1,30 x 1,44 x 2,10
Denitrifikation
8.000 l
∅ 1,6 x 4,003) 2.700 l ∅ 1,00 x 3,50
2.800 l 1,30 x 1,01 x 2,10
Gesamtvolumen 8.000 l (Vorlagebehälter:
1000 l)
9.400 l 6.700 l
VDN/VBB - 0,29 0,42
Belüftung
Luftzufuhr Biologie feinblasig 0 – 60 Nm3/h
Luftzufuhr Membranen Oberflächenbelüf-
tung feinblasig,
50 – 70 Nm3/h grobblasig, 40 – 80 Nm3/h
1) bis Mitte August 1997: 6 Stück ZW 150 2) ab Mitte August 1997: 2 Stück ZW 500 3) intermittierende N/DN 4) einschl. Abströmbereich
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 44 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
4.7 Berechnung der transmembranen Druckdifferenz
Die Angabe der transmembranen Druckdifferenz ist zur Kennzeichnung der hydrauli-
schen Situation von großer Bedeutung. Aus der Messung des Druckes in der Permeat-
leitung (bei den getauchten Membranen) bzw. des Zulaufdruckes (bei der externen An-
ordnung) kann auf den Druckverlust für die Durchströmung der Deckschicht und der
Membran zurückgerechnet werden.
4.7.1 Anlagen WABAG und ZENON
Permeat-pumpepMeß
z Meß
z BB h
P
hM
eß
= p
Meß
/ρg
∆h
TM
hV
hM
od
ul
pMeß
∆pTM
=ρg(zMeß-zBB)
Belebungsbecken Permeatleitung
Membran
Abb. 4.10 Definition der transmembranen Druckdifferenz für die Anlagen WABAG und ZENON
Um aus der Messung des Druckes in der Permeatleitung vor der Permeatpumpe die
transmembrane Druckdifferenz zu errechnen, sind folgende Vereinfachungen notwen-
dig:
• Die Geschwindigkeitshöhe der Strömung wird vernachlässigt, damit kann die Ener-
gielinie gleich der Drucklinie gesetzt werden.
• Der permeatseitige Reibungsverlust im Modul (hModul), also von der Rückseite der
Membran bis zum Anschluß der Permeatleitung kann vernachlässigt werden.
• Der Rohrreibungsverlust (hV)in der Permeatleitung ist zu vernachlässigen.
Unter diesen Voraussetzungen ermittelt sich die transmembrane Druckdifferenz ent-
sprechend dem oben dargestellten hydrostatischen Druckdiagramm (Abb. 4.10) zu:
( ) ]bar[zzgpp BBMeßMeßTM −ρ−−=∆ Gl. 22
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 45 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
mit:
pMeß [bar] Relativdruck in der Permeatleitung an der Meßstelle (negative Werte bei Unterdruck)
zMeß [m] Höhe Meßstelle über Bezugsniveau
zBB [m] Höhe Wasserspiegel im Belebungsbecken
Für die Anlage WABAG ist zu berücksichtigen, daß der Wasserspiegel im Belebungs-
becken (zBB) variabel ist, aber durch eine Füllstandsmessung erfaßt wird. Es ergibt sich
folgender Zusammenhang (vgl. auch Abb. 4.2):
( )( )
]bar[218,0pp
4,058,2gpp
pzzgpp
NivMeß
NivMeß
NivNivMeßMeßTM
−+−=−ρ−+−=+−ρ−−=∆
Gl. 23
mit:
pNiv [bar] Druck der Niveaumessung
Bei der Anlage ZENON wurde in der Permeatleitung nicht der Relativdruck, sondern
der Absolutdruck (pabs) gemessen. Der für die Berechnung notwendige Relativdruck
ergibt sich aus der Differenz zum Luftdruck (bei einer Höhenlage der Versuchsanlagen
von ca. 410 m über NN kann mit einem mittleren Luftdruck von 0,96 bar gerechnet
werden). Siehe auch Abb. 4.4 für die Angaben zur Höhenlage.
( )( )
]bar[984,0p
10,286,1g)96,0p(
zzg)pp(p
abs
abs
BBMeßLuftabsTM
+−=−ρ−−−=−ρ−−−=∆
Gl. 24
mit:
pabs [bar] Absolutdruck in der Permeatleitung an der Meßstelle
4.7.2 Anlage BERGHOF
Bei der Anlage BERGHOF ermittelt sich die transmembrane Druckdifferenz aus der
Messung des feedseitigen Zulaufdruckes vor dem Rohrmodul. Um zu dem hydrostati-
schen Druckdiagramm (Abb. 4.11) zu gelangen, sind folgende Größen vernachlässigt
worden:
• Geschwindigkeitshöhe (Energielinie = Drucklinie)
• Rohrreibungsverlust zwischen Meßstelle (zMeß) und Modulunterkante (zModUK)
• Eintrittsverlust in das Modul (Verengung)
• Austrittsverlust aus dem Modul (Aufweitung)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 46 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
• permeatseitigen Druckverluste (sowohl im Permeatraum des Rohrmoduls als auch
in der Permeatleitung)
Unter diesen Annahmen ermittelt sich die transmembrane Druckdifferenz entsprechend
dem Druckdiagramm zu (Höhenangaben in Abb. 4.7):
]bar[22,02
p2
)5,44,0277,0(g2
p2
)zz2z(gp2
)zzzzzz(g)zz(gpp
zuzu
AuslaufabMeßzu
abModOKModOKAuslaufabModUKMeßModUKzuTM
+=+⋅−ρ+=
+⋅−ρ+=
−+−+−ρ+−ρ−=∆
Gl. 25
mit:
pzu [bar] Relativdruck in der Feedleitung an der Meßstelle
Bei späteren Messungen stellte sich heraus, daß bei hohem Permeatvolumenstrom
sich ein Rohrreibungsverlust in der Permeatleitung einstellte und die transmembrane
Druckdifferenz somit geringfügig abgeschwächt wurde. Dies wird in der Auswertung
aber nicht berücksichtigt.
∆pTM
=ρg(zModUK-zab)
RohrmodulFeed-Seite
Permeatleitung
Membran
pzu
Auslaufniveau
pzu
z Meß
z ab
z Mem
UK
z Au
slau
f
z Mem
OK
pstatpdyn
=ρg(zModOK-zab)=ρg(zAuslauf-zModOK)
Abb. 4.11 Definition der transmembranen Druckdifferenz für die Anlage BERG-HOF
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 47 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
4.8 Festlegung der systemrelevanten Stromverbraucher und theoretischer
Berechnungsansatz
Wesentliche Vorgabe bei der Konzeption der Versuchsanlage war es auch, den Strom-
verbrauch der Anlagen zu erfassen. Es wurden dabei nur systemrelevante Aggregate
erfaßt, die zur Belüftung und Filtration erforderlich waren. Aggregate wie Rührwerke
oder Rezirkulationspumpen sind nicht mit enthalten. Folgende Stromverbraucher wur-
den bei der Betrachtung des Energieeinsatzes berücksichtigt (siehe auch Abb. 4.12):
• WABAG: Gebläse Biologie/Membranen und Permeatpumpe
• ZENON: Gebläse Membranen, Gebläse Biologie und Permeatpumpe
• BERGHOF: Umwälzpumpen und Zufuhrpumpen
Die Zufuhrpumpe bei der Anlage BERGHOF wurde deshalb betrachtet, da keine Per-
meatpumpe installiert war, jedoch die Wasserspiegeldifferenz zwischen Behälter und
Permeatauslauf zur Erzeugung der transmembranen Druckdifferenz genutzt wurde.
System WABAG System ZENON
Permeat-pumpe
GebläsePermeat-pumpe
GebläseMembranen
Biologie
4 Umwälz-pumpen
Zulauf-pumpe
System BERGHOF
Abb. 4.12 Darstellung der systemrelevanten Stromverbraucher
Für eine theoretische Betrachtung des systemrelevanten Energiebedarfs sind die
Leistungen der Pumpen und der Gebläse zu ermitteln. Die Pumpenleistung ermittelt
sich zu:
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 48 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
PumpePump
HQgP
ηρ= Gl. 26
Mit: ρ Dichte (1000 kg/m³) Q Volumenstrom in m³/h H Förderhöhe in mTM/10 für Permeat) ηPumpe Pumpenwirkungsgrad (zu 0,7 gewählt)
kann die Pumpenleistung angegeben werden zu:
]kW[HQ0038,0]kW/J[1000]h/s[36007,0
HQ81,91000PPump ⋅⋅=
⋅⋅⋅⋅⋅= Gl. 27
Wird die Temperaturerhöhung der Luft bei der Verdichtung vernachlässigt (isotherme
Verdichtung), kann die Leistung der Gebläse vereinfacht nach folgender Gleichung
bestimmt werden:
Gebläse
1
2L
Gebläse
pp
lnTRmP
η
⋅⋅⋅=
•
Gl. 28
Mit: •
m Massenstrom Luft (=ρ⋅QLuft = 1,2 kg/m³⋅QLuft) RL Gaskonstante für Luft (287 J/(kg⋅K)) T Temperatur des Gases (293 K) p2 Enddruck des Gases (= 1 + HET/10) HET Einblastiefe in m p1 Anfangsdruck des Gases (zu 1 bar gesetzt) ηGebläse Wirkungsgrad Gebläse (zu 0,5 gewählt; Leitungsverluste hierin mit enthal-
ten)
kann die Gebläseleistung angegeben werden zu:
]kW[)10H
1ln(Q056,0]kW/J[1000]h/s[36005,0
)10H
1ln(Q2932872,1P ET
Luft
ETLuft
Gebläse +⋅⋅=⋅⋅
+⋅⋅⋅⋅= Gl. 29
Der spezifischer Energieeinsatz (E*) ermittelt sich aus der Summe von Pump- und
Gebläseleistung, bezogen auf den Abwasservolumenstrom (QPermeat)
Permeat
GebläsePump*
Q
PPE
+= Gl. 30
In Tab. 4.2 ist der Energieeinsatz bei den Versuchsanlagen für den Betrieb der Memb-
ranfiltration und der Sauerstoffversorgung der Biologie auf Basis der theoretischen Ü-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 49 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
berlegungen zusammengestellt. Die getroffenen Annahmen (Fluß, Druck) sind nur eine
grobe Abschätzung und dienen hier nur zu Vergleichszwecken. Es wird keine Aussage
darüber getroffen, ob die eingebrachte Luftmengen auch zur Deckung des Sauerstoff-
bedarfs ausreichen. Für die Anlage Berghof wird bei dieser Abschätzung angenommen,
daß der angesetzte Permeatvolumenstrom mit zwei Loops (je ca. 90 bis 100 m³/h bei 3
m Förderhöhe) abgearbeitet werden kann.
Tab. 4.2 Zusammenstellung des theoretischen Energieeinsatzes
WABAG ZENON BERGHOF
Permeatvolumenstrom m³/h 1,5 1,5 1,5
Umwälzvolumenstrom m³/h - - 180 bis 200
Förderhöhe H m 2 1) 2 1) 4 2)
3 3)
Pumpenleistung kW 0,011 0,011 0,023 2,1 bis 2,3
Luftvolumenstrom Nm³/h 70 40 bis 140 -
Einblastiefe m 2,6 2,1 -
Gebläseleistung kW 0,9 0,4 – 1,5 -
spez. Energieeinsatz kWh/m³ 0,6 0,3 bis 1,0 1,4 bis 1,5
1) Förderhöhe der Permeatpumpen (2 m = 0,2 bar Transmembrandruck) 2) Förderhöhe der Zulaufpumpe 3) Förderhöhe der Umwälzpuumpen
Die Aufstellung verdeutlicht, daß der Energieeinsatz für die Permeatförderung zu ver-
nachlässigen ist. Wesentlichen Einfluß hat auf den spezifischen Energieeinsatz hat der
Membranantrieb bzw. die damit gekoppelte Sauerstoffversorgung der Biologie.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 50 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
5 Meß- und Analysenprogramm
5.1 Anordnung Probenahmestellen und online-Messungen
Für eine kontinuierliche Erfassung und Überwachung der Belastungen und Betriebszu-
stände der Versuchsanlagen wurde eine ganze Reihe von Probenehmern, kontinuierli-
chen Meßgeräten und Prozeßphotometer installiert (siehe Abb. 5.1).
Die Beprobung des Zulaufs zu den Versuchsanlagen erfolgte mit Hilfe von mengenpro-
portionalen Tagesmischproben. Die Probe wurde aus dem gerührten Vorlagebehälter
des Siebs gezogen. Eine ausführliche Beprobung des Zulaufs erfolgte immer in den
Intensivuntersuchungsphasen der jeweiligen Versuchsabschnitte.
Die wesentlichen Abwasserparameter (NO3--N, NH4
+-N PO43--P) wurde online im Ablauf
gemessen. Zusätzlich wurden aber auch aus dem Ablauf mengenproportionale Ta-
gesmischproben sowie Stichproben zur Bestimmung weiterer Abwasserparameter ge-
nommen.
Die Bestimmung des Feststoffgehaltes und des Glühverlustes erfolgte mittels Stichpro-
ben aus den Nitrifikationsreaktoren der jeweiligen Versuchsanlagen.
Zur kontinuierlichen Überwachung des Betriebszustandes wurden die wesentlichen
chemisch-physikalischen Meßwerte von allen Versuchsanlagen kontinuierlich aufge-
zeichnet. Die aufgezeichneten Meßwerte sind in Abb. 5.1 eingezeichnet.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 51 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
WABAG
ZENONSieb3 mm
DN N
DN N
BERGHOF
N/DN
PN
O2, pH, T,TS
O2, pH, T,TS, Red.
PN
PN
PN
O2, pH, T,TS
NO3-N, NH4-NPO4-P, LF
Q
Q
Q
Q,p
Q, p
Q
Q
Luft QN
pzu pzu
pzu
pzu
pNiv
MeßcontainerUNI Stuttgart
Abb. 5.1 Anordnung der Probenahmestellen (PN = Probenehmer) und der Meß-geräte
5.2 Konzeption der Meßwerterfassung und Datenfernübertragung
Die Meßwerte wurden von einem Meßwerterfassungssystem im Abstand von 10 Se-
kunden aufgezeichnet. Alle 20 Minuten wurde aus den Einzelwerten ein Mittelwert er-
rechnet und abgespeichert. Diese Mittelwerte wurden mittels Datenfernübertragung auf
den Arbeitsplatzrechner am Institut für Siedlungswasserbau übertragen und ausgewer-
tet.
Die Meßwerterfassung steuerte die Probenahmepumpen für den Ablauf der Versuchs-
anlagen an. Im Abstand von 20 Minuten wurde abwechselnd eine Probenahmepumpe
im Ablauf der Versuchsanlagen angesteuert. Nach einer Spülphase von 7 Minuten,
wurde nur aus den verbleibenden 13 Minuten der Mittelwert der online-Messung gebil-
det und abgespeichert. Durch diesen Betriebsmodus konnte nur jede Stunde die online-
Analysenwerte aus dem Ablauf der Versuchsanlagen erhalten werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 52 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
5.3 Analysenmethoden (Laboranalysen)
Die mengenproportionalen Mischproben wurden per Kurierdienst an das Labor der Ab-
teilung Abwassertechnik des Instituts für Siedlungswasserbau geschickt und entspre-
chend den angegebenen Analysenverfahren (siehe Tab. 5.1) auf die wesentlichen Ab-
wasserparameter untersucht. Ein Teil der Stichproben (Trockensubstanzgehalt, Glüh-
verlust) wurde direkt im Labor der Kläranlage Immenstaad bestimmt.
Tab. 5.1 Zusammenstellung verwendeter Analysenmethoden
Parameter Analysenmethode
Chemischer Sauerstoffbedarf CSB Kaliumdichromatmethode (DEV H41, DIN 38409, Teil 4)
Gesamter organischer Kohlenstoff TOC aus der homogenisierten Probe; DIN 38409-H3-1
Gelöster organischer Kohlenstoff DOC aus der membranfiltrierten Probe; ; DIN 38409-H3-1
Kjeldahlstickstoff TKN Kjeldahlaufschluß, Überdestillation von NH3 und Rücktitration
Ammoniumstickstoff NH4+-N Küvettentest (Dr. Lange)
Biochemischer Sauerstoffbedarf BSB5 Bestimmung am Sapromat
Nitritstickstoff NO2--N Küvettentest (Dr. Lange)
Nitratstickstoff NO3--N Küvettentest (Dr. Lange)
Gesamtphosphor Pges Bestimmung von Gesamtphosphat nach Aufschluß; DEV D 11-4, DIN 38405
Organische Säuren (Titration) HAcäq Acidimetrische Titration (nach Kapp, 1984)
Säurekapazität KS4,3 DIN 38409 H7 1-2
Abfiltrierbare Stoffe TS0 oder AFS
Bestimmung mittels Membranfilter mit 0,45µm Porenweite (DEV H2-2, DIN 38409)
Trockensubstanz TS Trocknung bei 105 °C (in Anlehnung an DIN 38414)
Glühverlust GV Glühung bei 600 bis 650 °C (nach DEV-S2)
Gesamteisengehalt Feges DEV-Verfahren DIN 38406-D21
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 53 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6 Darstellung der Ergebnisse
6.1 Überblick Versuchsabschnitte
Zum besseren Überblick über das gesamte Forschungsvorhaben wird hier eine Zu-
sammenstellung aller Versuchsabschnitte gegeben. Die in den jeweiligen Versuchsab-
schnitten durchgeführten Intensivuntersuchungsphasen mit erweitertem Analysenpro-
gramm sind mit „i“ gekennzeichnet.
Tab. 6.1 Zusammenstellung der Versuchsabschnitte
Versuchs-abschnitt
von bis Tage Bemerkungen
VA0 12.3.97 2.4.98 21 Einfahrphase
VA1 VA1i
2.4.97 9.5.97
26.5.97 22.5.97
54 13
konstante hydraulische Beschickung
VA2 VA2i
26.5.97 15.6.97
10.7.97 10.7.97
45 25
variable hydraulische Beschickung
VA3 VA3ai VA3ci
11.7.97 21.8.97 14.10.97
5.11.97 23.9.97 5.11.97
117 33 22
kläranlagenproportionale Beschickung;
teilweise ohne Rückbelastungseinfluß
VA4 VA4i
5.11.97 3.12.97
7.1.98 22.12.97
63 19
wie 3, zusätzlich mit P-Fällung
VA5 VA5i
7.1.98 20.2.98
6.4.98 31.3.98
89 39
Schlammalter 50 bis 75 Tage
VA6 VA6i
6.4.98 5.5.98
2.6.98 25.5.98
57 20
Schlammalter 75 bis 120 Tage
6.2 Versuchsabschnitt 0 (12.3.97 bis 2.4.97)
Die Versuchsanlagen WABAG und ZENON wurden am 12.3.97 mit belebtem Schlamm
(eisenfrei) der Kläranlage Hattenweiler aufgefüllt. Anschließend erfolgte die Adaption
des belebten Schlammes an das vorhandene Abwasser und die Anreicherung von
Biomasse. Die Versuchsanlage ZENON konnte aufgrund der betriebsbereit installierten
Meß-, Steuer und Regeleinheit problemlos in Betrieb genommen werden. Bei der Anla-
ge WABAG mußten noch einige Parameter, insbesondere die Niveauregelung, nach-
justiert werden. Die Beschickung konnte daher bei der Anlage WABAG nicht gleichmä-
ßig erfolgen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 54 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Der Feststoffgehalt wuchs kontinuierlich von ca. 3 g/l bis ca. 10 g/l in beiden Versuchs-
anlagen an. Der Gesamtertrag an belebtem Schlamm betrug bei der Anlage ZENON
ca. 47 kg und bei der Anlage WABAG ca. 40 kg. Die behandelte Abwassermenge be-
trug in diesem Versuchsabschnitt für die Anlage WABAG ca. 360 m³ und für die Anlage
ZENON ca. 400 m³. Die wesentlichen Parameter des Versuchsabschnittes 0 sind in
Tab. 6.2 angegeben. Da keine Analyse der Zulauf- und Ablaufparameter erfolgte, kön-
nen keine Belastungen und Konzentrationswerte angegeben werden.
Tab. 6.2 Zusammenstellung Kennwerte VA0
VA0 (21 Tage) WABAG ZENON
Feststoffkonzentration g/l 3 auf 10 3 auf 10
Temperatur °C 13 14
Abwassermenge m³ 360 400
Gesamtertrag kg TS 40 47
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,11 0,12
In der folgenden Abbildung ist der Gesamtertrag an Feststoffen in der Inbetriebnahme-
phase dargestellt. Der Verlauf war für die Anlage ZENON aufgrund der konstanten Be-
schickung gleichmäßiger als für die Anlage WABAG.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 3 6 9 12 15 18 21
Versuchstage (VA0)
Ges
amte
rtra
g [k
g]
ZENON WABAG
Abb. 6.1 Zunahme der Feststoffe in den Versuchsanlagen in der Inbetriebnah-
mephase (VA0)
Nach Erreichen eines Feststoffgehaltes von ca. 10 g/l wurde am 2.4.98 mit dem Ver-
suchsabschnitt 1 begonnen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 55 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.3 Versuchsabschnitt 1 (2.4.-26.5.97)
6.3.1 Zielsetzung
Zielsetzung des ersten Versuchsabschnittes war der möglichst konstante Betrieb der
Versuchsanlagen zur Ermittlung des Betriebsverhaltens und auch zur Optimierung der
Anlagentechnik. Die Beschickung erfolgte konstant mit dem Trockenwetterzufluß Qt.
6.3.2 Protokoll und Kennwerte VA1
Die wesentlichen Betriebsunterbrechungen oder Störungen sind im folgenden Protokoll
dargestellt (VT für Versuchstag; W für WABAG, Z für ZENON, KA für Kläranlage).
Datum VT Beschreibung
09.04.97 09:40 7,0 W: Gebläse abgeschaltet; Riemenscheibe gewechselt
14.04.97 17:00 12,3 KA: Vorklärbecken außer Betrieb; Beschickung mit Ablauf Sandfang für ca. 12 Stunden
15.04.97 12:00 13,1 Z: Erhöhung Füllstand von 80 auf 90%; damit Gesamtvolumen von 6 auf 6,5 m³
16.04.97 09:00 14,0 W: Niveausteuerung ausgefallen; Membranen trockengefallen!
17.04.97 09:00 15,0 Z: Umwälzpumpe für Rezirkulation ausgetauscht
24.04.97 14:00 22,2 W: Inbetriebnahme DN mit 2,75 m³
28.04.97 16:00 26,3 Z: zusätzliche Tauchpumpe zur Umwälzung der DN installiert
07.05.97 11:30 35,1 Z: Anlage abgeschaltet; Einbau Zwischenwand in Filtrations-behälter
07.05.97 17:30 35,4 Z: Anlage mit NaOHCl gespült
13.05.97 11:00 41,1 W: Rezirkulation auf 2,5 m³/h eingestellt
14.05.97 12:00 42,1 Z: Rezirkulation auf 2 m³/h gedrosselt
14.05.97 15:00 42,3 Z: Rezirkulation auf 3,5 m³/h erhöht
14.05.97 17:00 42,3 Z: Rezirkulation auf 4,9 m³/h erhöht
15.05.97 12:00 43,1 Z: Erhöhung Füllstand von 90 auf 94 %; Gesamtvolumen von 6,5 auf 6,9 m³
15.05.97 12:30 43,1 W: Rezirkulation von 2,5 auf 3,2 m³/h eingestellt
15.05.97 16:30 43,3 W: Rezirkulation auf 3,8 m³/h eingestellt
Die wesentlichen Kennwerte betreffend der Stoffströme (fest/flüssig) sind in der folgen-
den Tabelle für den gesamten Versuchsabschnitt und für die Intensivuntersuchungs-
phase zusammengestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 56 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.3 Zusammenstellung der Kennwerte für VA1 und VA1i
VA1 (54 Tage) WABAG ZENON
gesamt intensiv gesamt intensiv
Versuchstag 1-54 37-50 1-54 37-50
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,30 1,4 1,32 1,4
Feststoffgehalt g/l 12-17 14 14-19 15,2
Temperatur °C 11-18 16,6 13-19 17,3
Abwassermenge m³ 1.685 437 1.710 437
Gesamtertrag kg TS 134 26 146 31,2
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,08 0,06 0,09 0,07
6.3.3 Hydraulik
Abgesehen von einigen kurzen Unterbrechungen wurden beide Anlagen konstant be-
schickt. Der effektive Fluß betrug ca. 17 l/(m2h) für die Anlage WABAG und 16 l/(m2⋅h)
für die Anlage ZENON. Die sich einstellenden Transmembrandrücke lagen bei der An-
lage WABAG bei ca. 0,08 bis 0,09 bar und bei der Anlage ZENON bei ca. 0,23 bis 0,3
bar. Die folgenden Abbildungen charakterisieren die hydraulische Leistung der Systeme
im VA1.
0
5
10
15
20
25
30
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
p TM [b
ar]
Fluß
Transmembrandruck
WABAG
Abb. 6.2 Fluß und Druck (WABAG, VA1)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 57 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
30
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
p TM [b
ar]
TransmembrandruckFluß
ZENON
Abb. 6.3 Fluß und Druck (ZENON, VA1)
In Abb. 6.4 ist die Permeabilität, bezogen auf eine Abwassertemperatur von 10 °C, für
beide Versuchsanlagen dargestellt.
0
50
100
150
200
250
300
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/(m
²hba
r)]
WABAG
ZENON
Abb. 6.4 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA1)
Die Permeabilität wies bei beiden Versuchsanlagen einen konstanten Verlauf auf. Für
die Anlage WABAG wurden Werte knapp über 200 und für die Anlage ZENON Werte
von knapp über 50 l/(m2⋅h⋅bar) ermittelt. Eine Verringerung der Membranleistung, die
sich sofort in einer geringeren Permeabilität ausgedrückt hätte, war in diesem Ver-
suchsabschnitt nicht zu verzeichnen.
In den beiden folgenden Abbildungen ist der Zusammenhang zwischen Zulauf- und
Ablaufvolumenstrom sowie dem zugehörigen Fluß, normiert für eine Temperatur von
10 °C und der transmembranen Druckdifferenz wiedergegeben. Es sei hier darauf hin-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 58 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
gewiesen, daß im Ablaufvolumenstrom der Anlage ZENON aufgrund der Anordnung
des Durchflußmeßgerätes der Rückspülvolumenstrom mit enthalten ist. Für eine effek-
tive Betrachtung des Abwasserdurchsatzes bzw. der Anlagenleistung ist nur die Zu-
laufmenge zu berücksichtigen.
0
5
10
15
20
25
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)] AblaufZulauf
WABAG
Abb. 6.5 Fluß (bei 10°C) und Druck (WABAG, VA1)
0
5
10
15
20
25
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
Zulauf
AblaufZENON
Abb. 6.6 Fluß (bei 10°C) und Druck (ZENON, VA1)
Bezogen auf eine Abwassertemperatur von 10 °C wurde bei der Anlage WABAG ein
Fluß von 15 l/(m2⋅h) bei einem mittleren Transmembrandruck von 0,075 bar und bei der
Anlage ZENON ein mittlerer Fluß (10°C) von 14 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken
zwischen 0,17 und 0,25 bar erreicht.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 59 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.3.4 Chemisch-physikalische Parameter
Die im folgenden dargestellten Parameter wurden in der Nitrifikationszone der jeweili-
gen Versuchsanlage gemessen. Der Feststoffgehalt betrug bei beiden Anlagen ca. 13
bis 17 g/l, die Temperatur erhöhte sich entsprechend den Witterungsverhältnissen von
11 auf knapp 20 °C. Die starken tageszeitlichen Temperaturschwankungen resultieren
aus der Aufstellung der Anlagen im Freien.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
O2
[mg/
l] pH
[-] ϑ
[°C
] Temperatur
pH-Wert
Sauer-stoff
WABAG
Abb. 6.7 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA1)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
O2
[mg/
l] pH
[-] ϑ
[°C
] Temperatur
pH-Wert
Sauer-stoff
ZENON
Abb. 6.8 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA1)
Hinsichtlich des Sauerstoffgehaltes in der Nitrifikationszone sind erhebliche Unterschie-
de bei beiden Versuchsanlagen zu erkennen. Da bei der Versuchsanlage WABAG
(Abb. 6.7) die Luftzufuhr fest eingestellt war, konnte nicht auf die veränderlichen Belas-
tungen reagiert werden. Demzufolge variierte die Sauerstoffkonzentration in der N-Zone
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 60 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
zwischen 0 mg/l und der Sättigungskonzentration von ca. 10 mg/l. Diese Variation hatte
natürlich auch Auswirkungen auf die Denitrifikation.
Bei der Versuchsanlage ZENON (Abb. 6.8) konnte die Sauerstoffkonzentration in der
N-Zone durch eine geregelte Luftzufuhr (Gebläse der Biologie mit Frequenzumrichter)
konstant gehalten werden. Zu Versuchsbeginn von VA1 wurde eine Sollkonzentration
von 1,8 mg/l O2, anschließend eine Sollkonzentration von 1,0 mg/l eingestellt.
In Abb. 6.9 und Abb. 6.10 sind Feststoffgehalt und Glühverlust für beide Anlagen dar-
gestellt. Durch einen ungleichmäßigen Überschußschlammabzug variierte der Fest-
stoffgehalt im Tagesmittel bei beiden Anlagen zwischen 10 und 17 g/l. Der Glühverlust
erhöhte sich bei der Anlage WABAG von 62 auf 73 % und bei der Anlage ZENON von
66 auf 74 %.
0
5
10
15
20
25
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
TS
[g/l]
0
20
40
60
80
100
GV
[%]
Trockensubstanz
WABAGGlühverlust
Abb. 6.9 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA1)
0
5
10
15
20
25
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Versuchstage (VA1)
TS
[g/l]
0
20
40
60
80
100
GV
[%]
Trockensubstanz
ZENON Glühverlust
Abb. 6.10 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA1)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 61 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.3.5 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 1
Gegen Ende des ersten Versuchsabschnittes wurde im Zeitraum vom 9.5.97 bis zum
22.5.97 (Nr. 37 bis 50) eine Intensivuntersuchung durchgeführt. Hierbei wurde im Zu-
lauf zu den Versuchsanlagen und im Ablauf beider Anlagen Tagesmischproben ge-
nommen und im Labor der Abteilung Abwassertechnik auf verschiedene Parameter
untersucht.
Beim Vergleich der Analysenwerte mit den online-Werten ist zu berücksichtigen, daß
die Tagesmischproben immer von 9 bis 9 Uhr des darauffolgenden Tages gezogen
wurden.
6.3.5.1 Zulaufwerte
In der folgenden Tabelle sind die Zulaufkennwerte (Tagesmischproben) für den Ver-
suchsabschnitt 1i enthalten.
Tab. 6.4 Zulaufkennwerte VA1i
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l Min 161 50 83 42 17 81 5,6 0 37 28 Max 229 98 159 89 36 126 8,7 22 63 46 Mittel 202 80 128 66 25 106 7,6 7 49 36 Anzahl 5 5 5 13 13 13 13 13 13 13
Im Mittel sind 200 mg/l an CSB und 130 mg/l BSB5 im Zulauf gemessen worden. Die
mittleren Stickstoff-Zulaufkonzentrationen lagen bei 49 mg/l TKN und 36 mg/l NH4+-N.
Das für die Denitrifikationskapazität (auch DN-Vermögen) maßgebende Verhältnis
N/BSB5 lag mit ca. 0,4 sehr hoch. Auf die Ursache dieses ungünstigen Verhältnisses
und den damit verbundenen Problemen bei der Denitrifikation wird noch eingegangen.
6.3.5.2 Ablaufkonzentrationen
a) Kohlenstoff
Die Ablaufkonzentrationen an Kohlenstoff-Verbindungen wurden aus den Tagesmisch-
proben bestimmt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 62 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Versuchstage (VA1)
CS
B u
nd D
OC
im A
blau
f [m
g/l]
WABAG
ZENON
CSB
DOC
Abb. 6.11 CSB und DOC im Ablauf (WABAG und ZENON, VA1i)
Im Ablauf von beiden Versuchsanlagen waren keine abfiltrierbaren Stoffe nachweisbar.
Für den CSB wurden Werte kleiner 20 mg/l gemessen. Die DOC-Ablaufkonzentrationen
lagen für beide Versuchsanlagen identisch zwischen 6 und 9 mg/l. Aufgrund der niedri-
gen CSB-Ablaufwerte wurde der BSB5 nicht gemessen; es kann aber mit Werten klei-
ner 10 mg/l gerechnet werden. In Stichproben zur Mittagszeit konnten in den Abläufen
CSB-Werte von ca. 30 mg/l gemessen werden.
b) Stickstoff
Wie in Abb. 6.12 deutlich zu erkennen ist, konnte bei der Versuchsanlage WABAG die
Nitrifikation nicht immer vollständig gewährleistet werden. Aufgrund des mangelhaften
Sauerstoffeintragvermögens der installierten grobblasigen Belüftung, verbunden mit
einer maximalen Luftzufuhrmenge von 70 Nm3/h, konnte der Sauerstoffbedarf zur Nitri-
fikation nicht gedeckt werden. Die NH4+-N Konzentrationen im Ablauf der Versuchsan-
lage erreichten - insbesondere zur Mittagszeit mit hohen Zulaufkonzentrationen - Werte
von über 20 mg/l.
Vergleichbare Effekte traten bei der Versuchsanlage ZENON nur kurzzeitig bis zum
Versuchstag 22 und anschließend fast nicht mehr auf. Allerdings betrug die maximal
zugeführte Luftmenge – in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration in der Nitrifikati-
onszone – bis zu 138 Nm3/h
Entsprechend der niedrigeren Ammoniumkonzentrationen liegen bei der Versuchs-
anlage ZENON die NO3--N Konzentrationen mit bis zu 35 mg/l höher als bei der Ver-
suchsanlage WABAG mit Ablaufkonzentrationen bis zu 25 mg/l NO3--N.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 63 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Beide Anlagen wiesen mangelhafte Denitrifikation auf. Die Ursachen hierfür sind nicht
anlagenspezifisch, sondern im ungünstigen TKN/BSB5-Zulaufverhältnis begründet.
0
5
10
15
20
25
30
35
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Versuchstage (VA1)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
Ammonium im Ablauf
Nitrat im Ablauf
WABAG
Abb. 6.12 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA1i)
0
5
10
15
20
25
30
35
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Versuchstage (VA1)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l] Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
ZENON
9:00 Uhr
Abb. 6.13 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (ZENON, VA1i)
c) Phosphor
Die PO43--P-Ablaufkonzentrationen (Abb. 6.14) lassen sich sehr gut zur Überprüfung
der Schlammbilanz und zur qualitativen Betrachtung der Zulaufkonzentrationen - re-
spektive von Regenereignissen - heranziehen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 64 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,5
1,01,52,0
2,5
3,0
3,54,0
4,5
5,0
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Versuchstage (VA1)
PO
43--P
im A
blau
f [m
g/l]
WABAG
ZENON
Abb. 6.14 PO4
3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA1i)
Die PO43--P - Ablaufkonzentrationen erhöhten sich bei der Versuchsanlage WABAG
von 2,3 auf 4,5 mg/l. Bei der Versuchsanlage ZENON nahmen die P-Konzentrationen
von 2,0 auf 3,4 mg/l zu. Gegen Versuchsende konnten im Ablauf der Anlagen nur noch
2,5 mg/l bei der Anlage WABAG und 2,0 mg/l bei der Anlage ZENON gemessen wer-
den.
Die durchschnittliche Differenz bei den P-Ablaufwerten von 0,4 mg/l läßt sich aus der
unterschiedlichen Belastung mit unterschiedlicher Biomassenbildung erklären. Bei ei-
nem P-Gehalt der Biomasse von 3,0 % kann auf einen Unterschied in der Biomassen-
bildung von 0,4 g P/m³ / 30 g P/kg TS = 0,013 kg TS/m³ gerechnet werden. Dieser Un-
terschied stimmt sehr gut mit den ermittelten spez. Schlammerträgen von 0,08 kgTS/m³
für die Anlage WABAG und 0,09 kgTS/m³ für die Anlage ZENON überein.
6.3.5.3 Stickstoffelimination
Die Stickstoffelimination lag bei beiden Versuchsanlagen mit durchschnittlich 65 %
gleich hoch (Abb. 6.15). Allerdings ist zu beachten, daß im Mittel bei der Anlage WA-
BAG 4,4 mg/l NH4+-N im Ablauf und bei der Anlage ZENON weniger als 1 mg/l gemes-
sen wurden. Die Rezirkulation betrug bei den Versuchsanlagen im Mittel ca. 300 %.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 65 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Versuchstage (VA1)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%]
ZENON
WABAG
Abb. 6.15 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA1i)
Bei einer mittleren TKN-Zulaufkonzentration von 49 mg/l konnte im Tagesmittel noch
17 mg/l an Nitrat- und Ammoniumstickstoff im Ablauf gemessen werden.
6.3.5.4 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion
Für den VA1i wird die Schlammbelastung mit der TOC-Fracht angegeben, da hierfür
die meisten Werte vorliegen. Entsprechende Werte für BSB5 oder CSB sind mit den
Verhältniswerten TOC/BSB5 = 0,51 und TOC/CSB= 0,33 umzurechnen. Aufgrund des
geringeren Volumens und vergleichbarem Feststoffgehalt lag die Schlammbelastung
bei der Anlage ZENON um ca. 0,005 kgTOC/(kgTS⋅d) höher als bei der Anlage WA-
BAG.
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0,045
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50Versuchstage (VA1)
TO
C-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gTO
C/(
kgT
S,d
)] ZENON
WABAG
Abb. 6.16 TOC-Schlammbelastung (WABAG und ZENON, VA1i)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 66 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die spezifische Überschußschlammproduktion (Abb. 6.17) kann für die Anlage WABAG
mit 0,9 kgTS/kgTOCzu und für die Anlage ZENON mit 1,1 kgTS/kgTOCzu angegeben
werden. Die Unterschiede sind auf die nicht gleich hohe TOC-Schlammbelastung zu-
rückzuführen.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Versuchstage (VA1)
spez
. ÜS
-Pro
d.
[kgT
S/(
kgT
OC
zu,d
)]
ZENON
WABAG
Abb. 6.17 Spez. ÜS-Produktion (WABAG und ZENON, VA1i)
6.3.6 Verhältniswerte im Zulauf und Einfluß der Vorklärung
Die Aufenthaltszeiten in der Vorklärung betragen bei Trockenwetterbedingungen ca. 2
bis 3 Stunden. Verbunden mit der Einleitung von Filtrat aus der Überschußschlamm-
eindickung - vermutlich noch mit einem hohen Gehalt an reaktionsfähigen Fällungsmit-
teln - wurde in der Vorklärung eine hohe Elimination der für die Denitrifikation notwendi-
gen organischen Kohlenstoffverbindungen erzielt (Vorfällung). Dieser Sachverhalt
konnte in Vergleichsmessungen zwischen Zulauf und Ablauf Vorklärbecken bestätigt
werden.
Tab. 6.5 Vergleichsmessungen zwischen Zu- und Ablauf Vorklärbecken
Datum CSB mg/l
BSB5 mg/l
TOC mg/l
SS mg/l
TKN mg/l
Pges mg/l
zu ab zu ab zu ab zu ab zu ab zu ab 24./25.5. 552 227 242 105 151 77 485 137 63 51 23 5,2
25./26.5. 647 222 260 106 127 55 550 111 75 54 13,0 5,1
26./27.5. 519 227 250 116 134 79 275 98 68 60 8,1 4,3
Mittel 573 225 251 109 137 70 437 115 69 55 15 5
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 67 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die Entfernung von organischem Substrat (Kohlenstoff) in der Vorklärung betrug über
60%, Stickstoff wurde dagegen nur zu ca. 10 bis 20% eliminiert. Die daraus resultieren-
de Verringerung des TKN/BSB5 – Zulaufverhältnisses von ca. 0,26 zu 0,4 ging eindeu-
tig auf Kosten der Denitrifikationsleistung.
6.3.7 Zusammenfassung VA1
Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand im ersten Versuchsabschnitt das Verhalten
der Anlagen bei konstanter Beschickung. Zusätzlich sollten die optimalen Betriebspa-
rameter zur Stickstoffelimination gefunden werden.
Die hydraulische Leistungsfähigkeit der Versuchsanlagen war im VA1 sehr zufrieden-
stellend. Beide Anlagen konnten das zugeführte Wasser bei mittleren Flüssen von
17 l/(m2⋅h) stets bewältigen. Der Verlauf der transmembranen Druckdifferenz wies bei
beiden Anlagen temperaturbedingt eine abnehmende Tendenz auf. Bezogen auf eine
Vergleichstemperatur von 10 °C war die Permeabilität bei der Anlage WABAG mit
200 l/(m2⋅h⋅bar) und bei der Anlage ZENON mit 50 l/(m2⋅h⋅bar) sehr konstant. Eine Be-
einträchtigung der Membranleistung war nicht zu verzeichnen.
Die Elimination der Kohlenstoffverbindungen betrug bei beiden Versuchsanlagen über
95 %. Die CSB-Ablaufwerte in den Tagesmischproben lagen bei ca. 18 mg/l, in Stich-
proben bis max. 30 mg/l. Feststoffe konnten in den Abläufen erwartungsgemäß keine
nachgewiesen werden.
Bei der Betrachtung der resultierenden Stickstoffentfernung ist zwischen der Nitrifikation
und der Denitrifikation zu differenzieren. Die Oxidation vom Ammonium zu Nitrat (Nitrifi-
kation) war nur bei der Versuchsanlage ZENON zufriedenstellend. Bei der Versuchsan-
lage WABAG konnte aufgrund unzureichender Luftzufuhr nicht zu jeder Zeit im erfor-
derlichen Umfang nitrifiziert werden. Die NH4+-N – Ablaufkonzentrationen lagen bei die-
ser Anlage mit bis zu 20 mg/l weit über dem zulässigen Einleitungswert von 5 mg/l.
Die Denitrifikation war bei beiden Versuchsanlagen gleich mangelhaft. Aufgrund der
hohen Nitratkonzentrationen im Ablauf wurde der zulässige Einleitungswert von 18 mg/l
Nanorg bei weitem überschritten. Die niedrige Denitrifikationsleistung beider Versuchsan-
lagen ist allerdings nicht anlagentechnisch bedingt, sondern hat ihre Ursache in der
ungünstigen Zusammensetzung des zufließenden Abwassers. Mit dem vorhandenen
TKN/BSB5 – Verhältnis im Ablauf der Vorklärung von 0,4 sind keine höheren Werte zu
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 68 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
erwarten. Durch die sehr große Vorklärung und durch die Einleitung von fällmittelhalti-
gem Wasser wird zuviel für die Denitrifikation benötigter Kohlenstoff entnommen.
Bei mittleren Schlammbelastungen von 0,061 für die Anlage WABAG bzw.
0,076 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON betrug die spezifische Über-
schußschlammproduktion 0,3 kgTS/kgCSBzu für die Anlage WABAG und
0,36 kgTS/kgCSBzu für die Anlage ZENON.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 69 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.4 Versuchsabschnitt 2 (26.5.-10.07.97)
6.4.1 Zielsetzung
Im Mittelpunkt der Untersuchungen des zweiten Versuchsabschnittes stand die hydrau-
lische Flexibilität der Membrananlagen. Dies ist für den Einsatz von Membransystemen
in der kommunalen Abwasserreinigung zur Bewältigung der variablen Zulaufverhältnis-
se von elementarer Bedeutung. Von Interesse ist hierbei nicht nur die absolute Flexibili-
tät, bzw. der Unterschied zwischen mittlerer und maximaler Membranleistung, sondern
auch die Geschwindigkeit der Anpassung an den unterschiedlichen Zulaufvolumen-
strom.
Zur Ermittlung der kennzeichnenden hydraulischen Parameter der Versuchsanlagen
wurden im Versuchsabschnitt 2 Zulaufganglinien vorgegeben, die den realen Verhält-
nissen auf der Kläranlage Immenstaad entsprechen.
Bei der Auswertung der Ergebnisse des zweiten Versuchsabschnittes ist zu beachten,
daß die Intensivuntersuchungsphase in einer ausgesprochenen Regenperiode mit ver-
dünnten Zulaufkonzentrationen lag.
6.4.2 Protokoll und Kennwerte VA2
Die wesentlichen Betriebsunterbrechungen oder Störungen sind im folgenden Protokoll
dargestellt (VT = Versuchstag, W = Anlage WABAG, Z = Anlage ZENON, KA = Kläran-
lage).
Datum VT Beschreibung
02.06.97 20:00 7,5 KA: Einleitung von Abwasser aus der Schlammpressung führt zu sehr hohen Ammoniumkonzentrationen im Ablauf der Anla-gen (über 20 mg/l)
03.06.97 17:00 8,3 W: Füllniveau auf 300 mbar (3 m) erhöht (über Höhenlage Druckmeßsonde)
03.06.97 18:15 8,4 W: Füllstand auf 310 mbar erhöht (für besseren Sauerstoffein-trag)
05.06.97 09:00 10,0 Z: Zulauf aus, da Sieb hinter Zulaufpumpe verstopft
05.06.97 20:00 10,5 KA: Vorklärbecken außer Betrieb
06.06.97 16:30 11,3 W: Rezirkulation auf 5 m³/h gesetzt
10.06.97 21:00 15,5 NH4+-N-Analysengerät im Ablauf funktioniert nicht
12.06.97 22:00 17,5 Z: Behälterstand von 94 auf 92% gesenkt
17.06.97 20:00 22,5 W: Füllstand auf 305 mbar gesenkt
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 70 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
25.06.97 11:30 30,1 W: Rezirkulation auf 4,2 m³/h eingestellt
09.07.97 14:00 44,2 W: Luft auf 48 m³/h reduziert
09.07.97 16:00 44,3 W: Luft auf 60 m³/h erhöht
09.07.97 23:00 44,6 W: Luft auf 50 m³/h reduziert
10.07.97 14:00 45,2 W: Luft auf 70 m³/h erhöht
10.07.97 18:00 45,4 W: Luft auf 60 m³/h reduziert
Die Änderungen der Luftzufuhr bei der Anlage WABAG wurden auf Anweisung der Fir-
ma WABAG durchgeführt.
Die wesentlichen Kennwerte betreffend die Stoffströme „Fest“ und „Flüssig“ sind in der
folgenden Tabelle zusammengestellt.
Tab. 6.6 Zusammenstellung Kennwerte VA2
VA2 (45 Tage) WABAG ZENON
gesamt intensiv gesamt intensiv
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,54 1,54 1,27 1,28
Feststoffgehalt g/l 13,5 14,5 14,8 15,3
Temperatur °C 18,4 18,4 19,4 19,2
Abwassermenge m³ 1.663 924 1.372 768
Gesamtertrag kg TS 120 44 100 27
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,072 0,048 0,073 0,035
6.4.3 Zulaufganglinie
Maßgebend für die erforderliche hydraulische Flexibilität der Membransysteme ist das
auf der Kläranlage Immenstaad vorhandene Verhältnis zwischen maximalem Regen-
wetterzufluß Qm und maximalem Trockenwetterzufluß Qt. Ausgehend von den Dimen-
sionierungsgrößen (siehe Kapitel 1.3) beträgt dieses Verhältnis 1,8. Entsprechend den
vorhandenen Membranflächen und den zulässigen Flüssen bei Trockenwetter von
20 l/(m2⋅h) wurden hieraus die Zulaufvolumenströme ermittelt. Hierbei ist zu beachten,
daß bei der ursprünglichen Berechnung der Zuflüsse bei der Anlage ZENON im Origi-
nalzustand eine Fläche von 72 m² angesetzt wurde. Dies ist später auf tatsächliche
83,4 m² berichtigt worden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 71 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.7 Zusammenstellung der hydraulischen Kennwerte der Versuchsanlagen und Zuläufe VA2
Ausbaugröße KA Immenstaad
WABAG ZENON
Installierte Membranfläche 80 m² 83,4 m²
max. Trockenwetterzufluß Qt 700 m3/h 1,60 m3/h 1,45 m3/h
max. Mischwasserzufluß Qm 1.260 m3/h 2,80 m3/h 2,50 m3/h
Durch Vorgabe einer Zulaufganglinie sollte der Wechsel zwischen Trockenwetterzufluß
und maximalem Mischwasserzufluß bei den Versuchsanlagen simuliert werden. Die
entsprechenden Zulaufganglinien sind für beide Anlagen in der folgenden Abbildung
(Abb. 6.18) dargestellt. Die Zunahme der Zulaufvolumenströme von Qt auf Qm erfolgte
innerhalb von 30 min.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
00:0
001
:00
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
011
:00
12:0
013
:00
14:0
015
:00
16:0
017
:00
18:0
019
:00
20:0
021
:00
22:0
023
:00
00:0
0
Uhrzeit [h]
Qzu
[m³/
h] WABAG
ZENON
Abb. 6.18 Ganglinie der Zulaufvolumenströme im Tagesverlauf
Die maximale Beschickung der Versuchsanlagen mit dem 1,8-fachen Trockenwetter-
zufluß (2,8 m3/h bei der Versuchsanlage WABAG und 2,5 m3/h bei der Versuchsanlage
ZENON) wurde in die Nachtstunden verlegt, um eine biologische Überlastung zu ver-
meiden (hoher Fremdwasseranteil, daher geringe Zulaufkonzentrationen). Nach einer
Phase mit geringerem Zulaufvolumenstrom erfolgte nachmittags wieder eine Erhöhung
auf den 1,5-fache Trockenwetterzufluß.
Im Mittel wurde eine hydraulische Belastung mit der 1,0-fachen Trockenwetterzufluß e
eingestellt. Die täglich zugeführte Wassermenge betrug 38,4 m³ für die Versuchsanlage
WABAG und 34,8 m³ für die Versuchsanlage ZENON.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 72 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.4.4 Hydraulik
Entsprechend den variablen Zulaufvolumenströmen lagen die Flüsse bei der Versuchs-
anlage WABAG zwischen 7 und 40 l/(m2h) und bei der Versuchsanlage ZENON zwi-
schen 5 und 30 l/(m2h). Die folgenden beiden Abbildungen zeigen jeweils 5 repräsenta-
tive Tage des Versuchsabschnittes 2.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
30 31 32 33 34 35Versuchstage (VA2)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
p TM [b
ar]
WABAG
Transmembrandruck
Fluß
Abb. 6.19 Fluß und Druck (WABAG, VA2, Detail)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
30 31 32 33 34 35
Versuchstage (VA2)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
p TM [b
ar]
Fluß
ZENON
Transmembrandruck
Abb. 6.20 Fluß und Druck (WABAG, VA2, Detail)
Bei der Versuchsanlage WABAG betrug über den gesamten Versuchszeitraum be-
trachtet der Transmembrandruck maximal 0,3 bar (bei 40 l/(m2h)). Im Mittel lag der
Transmembrandruck bei ca. 0,13 bar, mit fallender Tendenz zu Versuchsende (Abb.
6.19). Die transmembranen Druckdifferenzen lagen bei der Versuchsanlage ZENON
bei maximal 0,55 bar. Nach drei Versuchstagen mit einem maximalen Fluß von 35
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 73 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
l/(m2⋅h) überstieg die transmembrane Druckdifferenz den internen Grenzwert und die
Anlage schaltete sich automatisch ab. Daher wurden die Membranen bei der Ver-
suchsanlage ZENON im weiteren Versuchsablauf mit maximal 35 l/(m2⋅h) belastet. Am
20.6.97 (VT25) schaltete sich die Versuchsanlage ZENON erneut wegen einer Über-
schreitung des zulässigen Transmembrandruckes kurzzeitig ab und der maximale Fluß
wurde auf 30 l/(m2⋅h) beschränkt. Die transmembranen Druckdifferenzen lagen im Mittel
bei ca. 0,32 bar mit leicht steigender Tendenz zu Versuchsende.
Die Permeabilität (10°C) ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es ist deutlich zu
erkennen, daß mit hydraulisch variabler Belastung die hydraulische Leistung bzw. die
Durchlässigkeit der Membranen verringert wird. Bei der Anlage WABAG verringerte
sich die Permeabilität von 200 auf gut 115 l/(m2⋅h) bis zum Versuchstag 20. Anschlie-
ßend erhöhte sich die Permeabilität wieder auf ca. 130 l/(m2⋅h⋅bar). Der Grund hierfür
könnte in der parallelen Zunahme der Feststoffkonzentration (siehe Abb. 6.9) liegen.
Bei der Anlage ZENON verringerte sich die Permeabilität im gesamten Versuchsab-
schnitt 2 kontinuierlich von 67 auf 49 l/(m2⋅h⋅bar).
0
50
100
150
200
250
300
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45
Versuchstage (VA2)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/(m
²hba
r)]
WABAG ZENON
Abb. 6.21 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA2)
Durch die variable Belastung konnten im Versuchsabschnitt 2 wichtige Zusammenhän-
ge zwischen Fluß und Druck gewonnen werden. Hierbei wird jeweils auf eine Tempera-
tur von 10 °C normiert und immer nur der effektive Anlagendurchsatz berücksichtigt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 74 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
Zulauf = Ablauf
WABAG
Abb. 6.22 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA2)
Bei der Anlage WABAG konnte ein maximaler Fluß (10°C) von 30 l/(m2⋅h) bei einem
Transmembrandruck von 0,32 bar erzielt werden (Abb. 6.22).
0
5
10
15
20
25
30
35
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
ZENON
Ablauf
Zulauf
Abb. 6.23 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA2)
Der maximale Fluß bezogen auf den interessierenden Zulaufvolumenstrom betrug bei
der Anlage ZENON 24 l/(m2⋅h) bei einem Druck von 0,48 bar. Zum Vergleich ist in Abb.
6.23 noch der mit dem Ablaufvolumenstrom errechnete Fluß dargestellt. Bei dem Ab-
laufvolumenstrom ist der Rückspülvolumenstrom mit enthalten.
In der Tab. 6.8 sind die wesentlichen hydraulischen Werte zusammengestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 75 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.8 Zusammenstellung der hydraulischen Betriebsparameter (VA2)
WABAG ZENON
max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm [l/(m2⋅h)] 30 24
Transmembrandruck bei Qm [bar] 0,32 0,48
zulässiger Fluß bei Trockenwetterzufluß Qt [l/(m2⋅h)] 16,6 13,3
Transmembrandruck bei Qt [bar] 0,15 0,24
6.4.5 Chemisch-physikalische Parameter
Obwohl in diesem Versuchsabschnitt die hydraulischen Parameter im Mittelpunkt der
Untersuchungen standen, werden die chemisch-physikalischen Parameter der Ver-
suchsanlagen der Vollständigkeit halber hier mit aufgeführt.
In den folgenden Abbildungen sind die Ganglinien der Temperatur, des pH-Wertes, der
Sauerstoffkonzentration und des Feststoffgehaltes in den Nitrifikationsreaktoren der
jeweiligen Versuchsanlage dargestellt. Die Temperaturen lagen bei beiden Versuchs-
anlagen zwischen 16 und 22 °C, der pH-Wert konstant bei 7,5.
Aufgrund des in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration geregelten Gebläses
betrug die Sauerstoffkonzentration im Nitrifikationsbecken der Versuchsanlage ZENON
konstant 1,0 mg/l. Demgegenüber schwankte die Sauerstoffkonzentration bei der Ver-
suchsanlage WABAG zwischen 0 und 8 mg/l. Insbesondere wurden ab Versuchstag 8
mit einsetzendem Regenereignis ständig hohe Sauerstoffgehalte im Nitrifikationsbe-
cken gemessen.
02468
1012141618202224
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45
Versuchstage (VA2)
O2
[mg/
l] p
H [-
] ϑ
[°C
]
Temperatur
pH-Wert
Sauer-stoff
WABAG
Abb. 6.24 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA2)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 76 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
02468
1012141618202224
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45Versuchstage (VA2)
O2
[mg/
l] p
H [-
] ϑ
[°C
]
ZENON
Sauerstoff
pH-Wert
Temperatur
Abb. 6.25 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA2)
Die Feststoffkonzentration lag in der Versuchsanlage WABAG zu Versuchsbeginn bei
15 g/l, verringerte sich nach ca. 2 Wochen auf 11 g/l und erreichte gegen Versuchsen-
de ein Maximum von 17,5 g/l (Abb. 6.26).
Die Variation der Feststoffkonzentration war bei der Versuchsanlage ZENON - auf-
grund gleichmäßigerer Überschußschlammentnahme – weniger ausgeprägt als bei der
Versuchsanlage WABAG und lag relativ konstant bei 15 g/l (Abb. 6.27).
0
5
10
15
20
25
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45
Versuchstage (VA2)
TS
[g/l]
0
20
40
60
80
100G
V [%
]WABAG
Glühverlust
Trockensubstanz
Abb. 6.26 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA2)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 77 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45Versuchstage (VA2)
TS
[g/l]
0
20
40
60
80
100
GV
[%]
Glühverlust
Trockensubstanz
ZENON
Abb. 6.27 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA2)
Der Glühverlust erniedrigte sich bei der Anlage WABAG von 74 auf 70 % und bei der
Anlage ZENON blieb er mit ca. 70 % konstant.
6.4.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 2
Die Intensivuntersuchungsphase wurde vom 15.6. bis zum 10.7.97 (Versuchstage 20
bis 45) durchgeführt.
6.4.6.1 Zulaufwerte
In der folgenden Tabelle sind wichtigsten Zulaufwerte enthalten.
Tab. 6.9 Zulaufkennwerte VA2i
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l Min 43 12 38 15 7 38 3,1 10 7 4 Max 155 70 113 89 31 158 7,3 27 45 35 Mittel 100 33 79 44 17 81 5,3 17 27 19 Anzahl 9 9 7 24 24 24 24,0 24 24 24
Aufgrund der ergiebigen Regenfälle im Versuchsabschnitt 2 floß den Versuchsanlagen
stark verdünntes Abwasser zu. Im Mittel lag der CSB bei ca. 100 mg/l, der BSB5 unter
80 mg/l und der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) bei ca. 45 mg/l. Mit einem mitt-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 78 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
leren TKN von 27 lag das TKN/BSB5-Verhältnis mit 0,34 ähnlich hoch wie im VA1. Im
VA2i konnten zeitweise bis zu 3 mg/l an NO3--N im Zulauf gemessen werden.
6.4.6.2 Ablaufkonzentrationen VA2i
a) Kohlenstoff
Die Ablaufkonzentrationen an Kohlenstoff-Verbindungen wurden aus mengenproportio-
nalen Tagesmischproben bestimmt. Abb. 6.28 zeigt die CSB-Werte und die DOC-
Konzentrationen im Ablauf beider Versuchsanlagen. Die CSB-Ablaufwerte der Ver-
suchsanlage ZENON lagen mit durchschnittlich 11 mg/l geringfügig über denen der
Versuchsanlage WABAG mit 9 mg/l. Bei CSB Werten im Zulauf von 100 mg/l entspricht
dies einer CSB-Elimination von ca. 90 %. Die DOC-Konzentration im Ablauf beider
Versuchsanlagen betrug ca. 6 mg/l.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Versuchstage (VA2)
CS
B u
nd D
OC
im A
blau
f [m
g/l]
WABAGZENON
CSB
DOC
Abb. 6.28 CSB und DOC im Ablauf (WABAG und ZENON, VA2i)
b) Stickstoff
Wie schon im ersten Versuchsabschnitt war die Nitrifikationsleistung der Versuchsanla-
ge WABAG teilweise unbefriedigend. Aufgrund der zeitweise unzureichenden Belüftung
(Sauerstoffkonzentrationen fast bei 0 mg/l) konnte nicht nitrifiziert werden. Besonders
zu Beginn des zweiten Versuchsabschnittes, bei höheren Belastungen, erreichten die
NH4+-N Ablaufkonzentrationen Werte bis über 20 mg/l. Durch die Verdünnung infolge
der Regenereignisse konnte ab dem 10. Versuchstag auch bei der Versuchsanlage
WABAG fast immer vollständig nitrifiziert werden. Die Konzentrationsspitzen an NH4+-N
im Ablauf im darauffolgenden Abschnitt sind auch auf eine Überbelastung der Anlagen
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 79 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
aufgrund von Problemen mit der Vorklärung zurückzuführen. Die NO3--N Konzentratio-
nen im Ablauf der Versuchsanlage WABAG variierten im VA2i zwischen 5 und 30 mg/l,
bei ca. 12,5 mg/l im Tagesmittel.
0
5
10
15
20
25
30
35
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Versuchstage (VA2)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
WABAG
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
Abb. 6.29 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA2i)
Bei der Versuchsanlage ZENON konnte, abgesehen von einigen Überlastungen (wahr-
scheinlich Vorklärung), fast immer vollständig nitrifiziert werden. Die NO3--N Konzentra-
tionen lagen zwischen 2 und 28 mg/l, im Tagesmittel bei 9 mg/l (Abb. 6.30).
0
5
10
15
20
25
30
35
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Versuchstage (VA2)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
ZENON
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
Abb. 6.30 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (ZENON, VA2i)
c) PO43--P -Konzentrationen
Im Gegensatz zum VA1 lassen sich im VA2 die PO43--P-Ablaufkonzentrationen nicht
zur Überprüfung der Schlammbilanz heranziehen. Obwohl in der Anlage WABAG mehr
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 80 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Schlamm produziert worden ist, sind die Ablaufkonzentrationen an PO43--P bei beiden
Anlagen identisch.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Versuchstage (VA2)
PO
4-P
[mg/
l]
WABAG
ZENON
9:00 Uhr
Abb. 6.31 PO4
3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA2i)
6.4.6.3 Stickstoffelimination
Die aus den Tagesmittelwerten errechnete Stickstoffelimination für beide Versuchsan-
lagen ist in der folgenden Abbildung aufgetragen.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46Versuchstage (VA2)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%] ZENON
WABAG
Abb. 6.32 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA2i)
Die mittlere Stickstoffelimination lag im VA2 bei der Anlage WABAG bei 51 % und bei
der Anlage ZENON bei 65 %. Die unterschiedlichen Eliminationsleistungen resultieren
aus dem höheren VDN/VBB- Verhältnis von 0,4 bei der Anlage ZENON im Vergleich zu
0,3 bei der Anlage WABAG und natürlich aus der ungeregelten Belüftung bei der Anla-
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ge WABAG. Bei hohen Sauerstoffgehalten im Nitrifikationsbecken, Rezirkulationsraten
von konstant 300 % wird insbesondere bei verdünnten Zulaufverhältnissen das für die
Denitrifikation benötigte organische Substrat durch die rezirkulierte Sauerstofffracht
aufgebraucht. Im Sinne einer Optimierung der Denitrifikation auch bei verdünntem Zu-
lauf ist die Kombination von Sauerstoffversorgung der Biologie und Belüftung der Mem-
branen nicht sinnvoll.
6.4.6.4 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion
Der extrem verdünnte Zulauf hatte natürlich auch eine Auswirkung auf das Schlamm-
wachstum. In Abb. 6.33 ist die Schlammbelastung angegeben. Trotz leicht geringerem
Zulaufvolumenstrom zur Anlage ZENON war aufgrund des geringeren Volumens bei
der Anlage ZENON die Schlammbelastung bei dieser Anlage mit 0,015 noch leicht hö-
her als bei der Anlage WABAG mit 0,012 kgTOC/(kgTS⋅d). Mit einem TOC/CSB-
Zulaufverhältnis von 0,31 entspricht dies ca. 0,05 bzw. 0,04 kgCSB/(kgTS⋅d).
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46Versuchstage (VA2)
TO
C-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gCS
B/(
kgT
S,d
)] ZENON
WABAG
Abb. 6.33 TOC-Schlammbelastung (WABAG und ZENON, VA2i)
Die spezifische Überschußschlammproduktion während des gesamten Versuchs kann
für die Anlage WABAG mit 0,9 kgTS/kgTOC und für die Anlage ZENON mit
1,1 kgTS/kgTOC angegeben werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 82 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46Versuchstage (VA2)
Ert
rags
koef
fizie
nt
[kgT
S/(
kgT
OC
zu,d
)] ZENON WABAG
Abb. 6.34 Spez. ÜS-Produktion (WABAG und ZENON, VA2i)
Die spez. Überschußschlammproduktion kann im VA2i für die Anlage WABAG mit 1,5
und für die Anlage ZENON mit 1,1 kgTS/kgTOCzu angegeben werden (entsprechend
0,47 kgTS/kgCSBzu für die Anlage WABAG und 0,34 kgTS/kgCSBzu für die Anlage ZE-
NON).
Bei den Ertragswerten (spez. Überschußschlammproduktion) ist zu beachten, daß auf-
grund großer Schwankungen des Feststoffgehalts der Versuchsanlagen nicht der zu
jeder Belastung zugehörige Ertrag herangezogen wurde, sondern daß für das
Schlammwachstum nur ein mittlerer Ertrag über den gesamten Versuchszeitraum VA2i
betrachtet wurde.
6.4.7 Zusammenfassung VA2
Im Mittelpunkt der Untersuchungen des zweiten Versuchsabschnittes stand die hydrau-
lische Elastizität der Membransysteme. Diese ist für den Einsatz der Membrantechno-
logie in der kommunalen Abwasserreinigung zur Bewältigung der variablen Zulaufver-
hältnisse von elementarer Bedeutung. Zur Ermittlung der kennzeichnenden hydrauli-
schen Leistungsfähigkeit der Versuchsanlagen wurden Zulaufganglinien vorgegeben,
die den realen Verhältnissen auf der Kläranlage Immenstaad entsprechen.
Unter diesen Voraussetzungen konnte nachgewiesen werden, daß die notwendige hyd-
raulische Elastizität der Membransysteme gegeben ist. Die Elastizität ist sowohl hin-
sichtlich der absoluten Größe als auch hinsichtlich der Geschwindigkeit der Anpassung
an variable Zulaufbedingungen ausreichend. Allerdings führt die variable Belastung zu
einer Abnahme der Membranleistung. Die aus den Versuchen erhaltene maximale hyd-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 83 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
raulischen Leistungen (für eine Temperatur von 10 °C) der unterschiedlichen Memb-
ransysteme ist in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
Tab. 6.10 Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit im VA2
WABAG ZENON
max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm l/(m2⋅h) 30 24
Transmembrandruck bei Qm bar 0,32 0,48
zulässiger Fluß bei Trockenwetterzufluß Qt l/(m2⋅h) 16,6 13,3
Transmembrandruck bei Qt bar 0,15 0,24
Wie sich im Verlauf vom VA2 herausstellte, führte der ständige Belastungswechsel zu
einer Abnahme der Permeabilität. Die hydraulische Durchlässigkeit (Permeabilität) ver-
ringerte sich bei der Anlage WABAG von 200 auf 120 l/(m2⋅h⋅bar) und bei der Anlage
ZENON von 70 auf 49 l/(m2⋅h⋅bar).
Bei verdünnten Zulaufverhältnissen stellten sich bei der Versuchsanlage WABAG auf-
grund der Kombination der biologischen Belüftung mit der Membranbelüftung zu hohe
Sauerstoffkonzentrationen in der Biologie ein. Dies führte zu einer weiteren Verringe-
rung der Denitrifikationsleistung.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 84 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.5 Versuchsabschnitt 3 (11.7.97-5.11.97)
6.5.1 Zielsetzung
Im Mittelpunkt des dritten Versuchsabschnittes stand die hydraulische Leistung der
Membransysteme bei kläranlagenproportionaler Beschickung. Gleichzeitig sollte die
Stickstoffelimination unter Einfluß von realen Belastungsstößen infolge von Regener-
eignissen untersucht werden.
Der Beginn des dritten Versuchsabschnittes war gekennzeichnet durch Umbauarbeiten
an den Versuchsanlagen zur Verringerung des Energiebedarf und zur Optimierung der
Nitrifikation bzw. der Denitrifikation. Es wird aber trotzdem der gesamte Versuchsab-
schnitt gewertet, da einige Untersuchungsparameter nicht von den Modifikationen be-
troffen sind und so eine längere Auswerteperiode zur Verfügung steht.
Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt im VA3 war der Einfluß der Rückbelastung
aus der Schlammbehandlung. Hierzu wurde ab Versuchstag 74 das Schlammwasser
unter Umgehung der Vorklärung in die Biologie eingeleitet.
Der Versuch, die BSB5-Zulauffracht zu den Versuchsanlagen durch Beschickung direkt
aus dem Ablauf des Sandfanges zu erhöhen, scheiterte an einer mehrmalige Verstop-
fung der Zulaufpumpe und an Betriebsproblemen mit den Umwälzpumpen in den De-
nitrifikationsreaktoren. Die Funktion der Membraneneinheiten wurde dadurch aber nicht
negativ beeinflußt.
6.5.2 Protokoll und Kennwerte VA3
Die wesentlichen Betriebsunterbrechungen oder Störungen sind im folgenden Protokoll
dargestellt.
Datum Nr. Beschreibung
11.07.97 09:00 0,0 Start mit kläranlagenproportionaler Beschickung; anfangs bei 1/500 dann zwischen 1/250 und 1/300
11.07.97 16:00 0,3 W: Rezirkulation auf 3 m³/h eingestellt
11.07.97 16:00 0,3 W: Niveau auf 3 m Wassertiefe erhöht
15.07.97 08:00 4,0 KA: VKB außer Betrieb, Beschickung mit Ablauf Sandfang
15.07.97 09:00 4,0 W: Luft von 60 auf 75 m³/h erhöht
15.07.97 10:00 4,0 KA: Zulaufpumpe im Ablauf Sandfang verstopft
16.07.97 14:00 5,2 W: Montage Frequenzumrichter für Belüftungsgebläse und Permeatpumpe
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 85 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
28.07.97 10:30 17,1 W: Entleerung Behälter, Installation feinblasige Belüftung
28.07.97 18:30 17,4 W: Wiederinbetriebnahme
29.07.97 13:00 18,2 W: Füllstand auf 2,60 m eingestellt
29.07.97 19:00 18,4 Z: Anlage geleert; Module getauscht (6 alte ZW 150 ausge-baut, 2 neue ZW 500 eingebaut)
01.08.97 12:00 21,1 Z: Anlage wieder in Betrieb
06.08.97 09:40 26,0 Z: Anlage erneut geleert; Austausch falsch eingebauter Teller-belüfter
08.08.97 10:00 28,0 Container: Nitratmessung defekt
13.08.97 09:40 33,0 Z: Ausbau Permeatleitung da undicht
13.08.97 12:00 33,1 W: Ausfall Sicherung; keine Belüftung mehr, Füllstand unter Membranmodule gesunken
14.08.97 09:00 34,0 Z: Probleme mit SPS-Steuerung für neuen Modulbetrieb
15.08.97 09:00 35,0 Z: Ausfall Belüftung (bis 17.7.97)
17.08.97 10:00 37,0 Z: Notabschaltung; zuerst ohne Belüftung; dann wieder mit Belüftung
21.08.97 15:00 41,3 KA: Reparaturarbeiten Faulturm; ca. 100 m³ Trübwasser abgelassen
28.08.97 12:00 48,1 KA: Beginn Dauerregen; hoher Zulauf
31.08.97 22:00 51,5 W: Belüftung ausgefallen (Sicherung)
02.09.97 14:00 53,2 KA: unerklärlich hohe Ammoniumkonzentrationen im Zulauf;
03.09.97 13:00 54,2 KA: Entleerung Nachklärbecken; dadurch hoher Zulauf vorge-täuscht; maximale Beschickung der Anlagen mit Trockenwet-terkonzentration führt zu Überlastungen
04.09.97 13:00 55,2 Z: Anlage abgeschaltet, da Transmembrandruck zu hoch
06.09.97 12:00 57,1 W: Belüftung ausgefallen
09.09.97 09:00 60,0 B: Anlage wird installiert
16.09.97 10:00 67,0 W: Rezirkulation auf 3,3 m³/h gestellt
16.09.97 15:40 67,3 W: Rezirkulation wieder auf 4 m³/h erhöht
17.09.97 09:00 68,0 W: Rezirkulation auf 5 m³/h erhöht
17.09.97 12:00 68,1 KA: Einleitung Trübwasser
23.09.97 14:30 74,2 KA: Beschickung von nun ab aus dem Ablauf Sandfang; Filtrat aus Schlammbehandlung direkt ins Belebungsbecken umge-leitet
24.09.97 09:00 75,0 KA: 30 m³ Trübwasser in den Ablauf Sandfang abgelassen
24.09.97 09:00 75,0 Z: Tauchpumpe DN verstopft
29.09.97 17:00 80,3 Z: Tauchpumpe in DN verstopft; keine Durchmischung mehr, auch keine DN
03.10.97 15:00 84,3 KA: Pumpe im Ablauf Sandfang ist verstopft; kein Zulauf mehr
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 86 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
03.10.97 21:15 84,5 KA: Zulaufpumpe schon wieder verstopft; Ausfall Beschickung bis zum 6.10.97
06.10.97 12:00 87,1 KA: Zulauf wieder aus Ablauf VKB
14.10.97 16:30 95,3 Z: Anlage ausgefallen wegen Sicherung im Verteilerkasten
17.10.97 12:00 98,1 Reinigung Zulaufbehälter; kein Zulauf zu den Anlagen
21.10.97 09:00 102,0 Container: hohe NH4 und NO3 Werte für alle Anlagen; Einlei-tung von Mostwasser durch Winzer?
23.10.97 17:00 104,3 W: Rezirkulations-Pumpe defekt; kein Schlamm mehr in DN!
24.10.97 18:00 105,4 Eingabe neuer Regelparameter durch die Fa. WABAG; an-schließend Totalausfall der Anlage WABAG
27.10.97 09:00 108,0 W: Fehler bei Niveausteuerung; kein Zulauf mehr
28.10.97 11:45 109,1 W: Rezirkulation von 5 auf 4 m³/h reduziert
30.10.97 09:00 111,0 W: erneuter Totalausfall
05.11.97 09:00 117,0 Ende VA3
Der VA3 kann in drei Phasen unterteilt werden. Die folgenden Tabellen listen die wich-
tigsten Betriebseinstellungen auf (VT = Versuchstage).
Tab. 6.11 Einteilung der Versuchsphasen im VA3
VA Datum VT
Datum VT
Tage Bemerkungen
VA3 11.7.97 1
5.11.97 117
117 gesamter Versuchsabschnitt VA3
VA3a 5.11.97 1
23.9.97 74
74
Umbau und Neubetrieb
VA3ai 21.8.97 42
23.9.97 74
33
Intensivuntersuchungsphase 3a
VA3b 23.9.97 74
3.10.97 84
11
Zulauf aus Ablauf Sandfang; nach mehrmaligem Verstopfen der Zulaufpumpe abgebrochen; ohne Rückbelastung
VA3c 6.10.97 87
5.11.97 117
31
Zulauf wieder aus Ablauf Vorklärung; ohne Rück-belastung
VA3ci 14.10.97 96
5.11.97 117
22
Intensivuntersuchungsphase 3c; ohne Rückbelas-tung
Die wesentlichen Kennwerte betreffend die Stoffströme Fest und Flüssig sind in den
folgenden Tabellen zusammengestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 87 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.12 Zusammenstellung Kennwerte VA3a (Unterbrechung in der Umbau-phase ausgeklammert)
VA3a WABAG ZENON WABAG ZENON
Versuchszeitraum Tage 1 - 17 1 - 17 41 -74 41 74
Mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,5 0,88 1,1 0,94
Feststoffgehalt g/l 15 12 19 14
Temperatur °C 20 22 21 21
Abwassermenge m³ 612 360 900 520
Gesamtertrag kg TS 75 56 65 60
Spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,122 0,16 0,072 0,115
Tab. 6.13 Zusammenstellung Kennwerte VA3b (Ablauf Sandfang, 74 bis 84)
VA3b WABAG ZENON
Versuchszeitraum Tage 74 - 84 74 - 84
Mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,76 0,72
Feststoffgehalt g/l 17 16
Temperatur °C 20 20
Abwassermenge m³ 182 178
Gesamtertrag kg TS 43 47
Spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,24 0,26
Der folgende Versuchsabschnitt wird erst nach kurzer Übergangszeit gewertet (wahr-
scheinlich zu kurze Zeit für stationäre Betriebsphase). Zusätzlich sind die Kennwerte für
die Anlage BERGHOF mit enthalten.
Tab. 6.14 Zusammenstellung Kennwerte VA3ci
VA3b WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 96-105 96-117 88-117
Mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,3 1,1 0,9
Feststoffgehalt g/l 13 13 3 - 12
Temperatur °C 17 17 17
Abwassermenge m³ 343,2 607 650
Gesamtertrag kg TS 12 16,4 77
Spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,035 0,027 0,12
Anmerkungen:
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 88 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
• Die Anlage WABAG ist am Versuchstag 110 übergelaufen und nicht mehr gewertet
worden.
• Die Anlage BERGHOF wurde Mitte September aufgestellt und ab Anfang Oktober
eingefahren.
6.5.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse
Mit Beginn von VA3 wurde der Kläranlagenabfluß aufgezeichnet und zur Berechnung
der Zulaufvolumenströme zu den Versuchsanlagen verwendet.
0100200300400500600700800900
1000110012001300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
Klä
ranl
agen
zuflu
ß [m
³/h] Bemessungszufluß max. Trockenwetterzufluß
Abb. 6.35 Kläranlagenzufluß im gesamten VA3
Bei vereinzelt auftretenden Regenereignissen wurde ein maximaler Zufluß von ca.
1000 m³/h erreicht. Die einzelnen Zulaufspitzen sind nicht auf Regenereignisse, son-
dern auf „kläranlageninterne“ Abläufe zurückzuführen. In der Trockenwetterperiode
(zwischen Tag 70 und 90) schwankte der Zulaufvolumenstrom zur Kläranlage zwischen
70 (nachts) und 300 m³/h in der Mittagsspitze.
Zur Verdeutlichung der Zulaufcharakteristik ist in der Abb. 6.36 der Kläranlagenzufluß
nochmals im Detail für ein Regenereignis nach dem 92. Versuchstag dargestellt. Für
eine Zeitdauer von Mitte des 92. bis Mitte des 94. Versuchstages betrug der mittlere
Zulaufvolumenstrom 850 m³/h, entsprechend einer Gesamtwassermenge von 41.000
m³.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 89 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0100200300400500600700800900
1000110012001300
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100Versuchstage (VA3)
Klä
ranl
agen
zuflu
ß [m
³/h]
9:00 Uhr
Bemessungszufluß Qmmax. Trockenwetterzufluß Qt
Abb. 6.36 Kläranlagenzufluß im VA3 (Detail)
6.5.4 Hydraulik
Für den Gesamtüberblick werden die gesamten hydraulischen Daten des VA3 angege-
ben.
In der Abb. 6.37 ist der Fluß und der Druck bei der Anlage WABAG dargestellt. Die ma-
ximalen Flüsse betrugen bis zu 43 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken von 0,35 bar.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Versuchstage (VA3)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9p T
M [b
ar]
WABAG Fluß Transmembran-druck
Abb. 6.37 Fluß und Druck (WABAG, VA3)
In Abb. 6.38 sind die entsprechenden Parameter für die Anlage ZENON dargestellt. Vor
dem Tausch der Membranmodule wurde ein Fluß von 30 l/(m2⋅h) erreicht. Vor der drei-
tägigen Betriebsunterbrechung am Versuchstag 8 betrug der korrespondierende
Transmembrandruck 0,5 bar und nach der Betriebspause nur noch 0,35 bar. Mit den
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 90 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
neuen Membranmodulen konnten in der Regel Flüsse von 35 l/(m2⋅h) und kurzfristig bis
40 l/(m2⋅h) erreicht werden. Der Transmembrandruck erhöhte sich kontinuierlich von
0,05 auf 0,3 bis 0,4 bar.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
p TM [b
ar]
Tausch Membranmodule und ÄnderungBetriebsweise <1,4 m³/h mit 40 m²
>1,4 m³/h mit 80 m²Fluß
Druck
ZENON
Abb. 6.38 Fluß und Druck (ZENON, VA3)
Bei der Anlage ZENON ist noch zu berücksichtigen, daß mit dem Tausch der Memb-
ranmodule auch die Betriebsweise geändert wurde. Bis zu einem Zulaufvolumenstrom
von 1,4 m³/h wurde nur mit einem Modul filtriert. Erst bei höheren Zulaufvolumenströ-
men wurde das zweite Modul dazugeschalten.
Die Permeabilität ist in den folgenden Abbildungen für jede Anlage dargestellt.
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Versuchstage (VA3)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/(m
²hba
r)]
ZENON
WABAG
Tausch Module ZENON
Um
bau
Bel
üftu
ng
Abb. 6.39 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA3)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 91 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei der Anlage WABAG hatte der Umbau der Belüftung (Tag 17, Installation feinblasige
Belüftung) keine spürbare Änderung der Permeabilität zur Folge. Der bereits vorherr-
schende Trend einer leichten Verbesserung ab VT 14 wurde nicht beeinflußt. Die dras-
tische Verringerung der Permeabilität am VT 28 wurde durch den Ausfall der Belüftung
(Sicherung) hervorgerufen. Insgesamt zeigte sich bei der Anlage WABAG eine Erhö-
hung der Permeabilität. Zum Versuchsende von VA3 wurden ca. 180 l/(m2⋅h⋅bar) er-
reicht.
Bei der Anlage ZENON blieb zu Versuchsbeginn der Wert aus dem letzten Versuchs-
abschnitt mit ca. 50 l/(m2⋅h⋅bar) konstant. Durch eine mehrtägige Pause konnte nach
Wiederinbetriebnahme kurzfristig eine Permeabilität von 100 mit anschließend konstan-
ten 75 l/(m2⋅h⋅bar) gemessen werden. Nach dem Tausch der Membranmodule stellten
sich Permeabilitäten von über 300 l/(m2⋅h⋅bar) ein. Innerhalb der nächsten 35 Tage
nahm die Permeabilität kontinuierlich auf Werte von 100 l/(m2⋅h⋅bar) ab. Auf diesem
Niveau blieb die Permeabilität bis zum Versuchstag 84. Die Erhöhung der hydrauli-
schen Belastung ab VT 84 (parallel mit der Umstellung auf Ablauf VKB) führte zu einer
weiteren Abnahme der Membranleistung auf nur noch 70 l/(m2⋅h⋅bar).
In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,
normiert auf 10°C, angegeben. Bei der Anlage WABAG konnten maximale Flüsse von
34 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken von 0,35 bar erzielt werden. Diese Werte liegen
über denen von VA2, was sich auch schon an der Erhöhung der Permeabilität ablesen
läßt. Der Bemessungsfluß für Trockenwetterzufluß ist auf einen Wert von 18,8 l/(m2⋅h)
angestiegen (bei einem Druck von 0,17 bar).
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
WABAG
Abb. 6.40 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA3)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 92 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei der Anlage ZENON sind nur die Wertepaare für die neuen Module (ab VT 20) auf-
getragen. Durch die schnelle Abnahme der Permeabilität nach Einbau der neuen Mo-
dule flachte auch die Fluß-Druck-Gerade mit zunehmender Versuchsdauer ab. Die un-
teren Wertepaare entsprechen der niedrigen Permeabilität ab Versuchstag 90. Wird
nicht von einer Reinigung der Module nach einer Betriebszeit von 70 Tagen ausgegan-
gen, ist mit einem maximalen Fluß von 25 l/(m2⋅h) bei einem Transmembrandruck von
0,4 bar zu rechnen. Der Trockenwetterzufluß sollte 13,9 l/(m2⋅h) bei einem entspre-
chenden Transmembrandruck von 0,18 bar nicht überschreiten.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
ZENON
Abb. 6.41 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA3)
6.5.5 Chemisch-physikalische Parameter
In den folgenden Diagrammen sind die Parameter der einzelnen Versuchsanlagen im
gesamten VA3 dargestellt.
Die Temperatur in den Versuchsanlagen reduzierte sich von ca. 20 °C zu Versuchsbe-
ginn auf 15 °C zu Versuchsende. Besonders deutlich ist die Auswirkung von starken
Regenereignissen auf die Temperatur zu erkennen. Mit einsetzendem Mischwasser-
zufluß verringert sich die Temperatur im Belebungsbecken schlagartig um mehr als
5 °C. Bei der Temperaturmessung der Anlage ZENON ist zu beachten, daß die
Meßstelle in der Rezirkulationsleitung im Container angeordnet war. Bei Anlagenstill-
stand wurde die Temperatur des Containers und nicht des Nitrifikationsbeckens ange-
zeigt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 93 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
22,5
25,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Regenereignisse
SauerstoffpH-Wert
Temperatur
WABAG
Abb. 6.42 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA3)
Wie schon in den vorangegangenen Versuchsabschnitten variierte die Sauerstoffkon-
zentration in der Nitrifikationszone bei der Anlage WABAG erheblich. Es wurde in der
Regel eine Sauerstoffkonzentration von bis zu 5 mg/l erzielt. Die Nachteile für die De-
nitrifikation sind schon beschrieben worden.
0,0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
22,5
25,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Sauerstoff
pH-Wert
Temperatur
ZENON
Abb. 6.43 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA3)
Bei der Anlage ZENON konnte die Sauerstoffkonzentration durch das geregelte Geblä-
se für die Biologie konstant auf einen eingestellten Sollwert gehalten werden. Dieser lag
bei Versuchsbeginn bei 0,8 und gegen Ende bei 0,5 mg/l (Abb. 6.43).
In den folgenden Abbildungen sind Feststoffgehalt und Glühverlust der Anlagen darge-
stellt. Bis zum Versuchstag 70 wurde der Feststoffgehalt bei der Anlage WABAG bei
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 94 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
ca. 17 bis 20 g/l gehalten. Ab Versuchstag 70 verringerte sich der Feststoffgehalt infol-
ge konstantem Überschußschlammabzug auf ca. 12 g/l.
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
TS
[g/l]
Anlage übergelaufen
Anlage geleert und Belüftung umgebaut
WABAG
Abb. 6.44 Feststoffgehalt (WABAG, VA3)
Bei der Anlage ZENON lag der Feststoffgehalt zu Versuchsbeginn bei ca. 15 g/l. Nach
Entleerung des Behälters, Zwischenspeicherung des Schlammes und Wiederinbetrieb-
nahme verringerte sich der Feststoffgehalt ab Versuchstag 28 kontinuierlich von 14 auf
10 g/l, ohne Abzug von Überschußschlamm. Ab Versuchstag 40 stieg der Feststoffge-
halt wieder kontinuierlich auf 15 g/l an und Überschußschlamm wurde wieder täglich
abgezogen.
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
TS
[g/l]
Anlage geleert undModule ausgetauscht
ZENON
Abb. 6.45 Feststoffgehalt (ZENON, VA3)
Der Glühverlust wurde bei der Anlage WABAG im VA3 nicht bestimmt. Bei der Anlage
ZENON wurde der Glühverlust am VT 100 zu 72,4 % bestimmt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 95 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.5.6 Intensivuntersuchungen im Versuchsabschnitt 3
6.5.6.1 Zulaufwerte
In den folgenden Tabellen sind die Zulaufkennwerte für die Intensivuntersuchungspha-
se 3ai enthalten.
Tab. 6.15 Zulaufkennwerte VA3ai (21.8.97 bis 23.09.97, VT 42 bis VT 74)
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
Pge
s
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l Min 77 31 47 24 13 56 3,0 17 15 10 2,5 Max 470 131 215 143 88 564 12,1 55 122 97 8,3 Mittel 226 70 123 60 26 126 6,8 27 51 36 5,4 Anzahl 9 9 5 33 20 21 21,0 21 33 21 9,0
Der Verlauf von CSB, TOC und TKN im Zulauf ist in der folgenden Abbildung für den
VA3ai dargestellt. Sehr gut ist der Wochenrythmus bei den TKN und TOC-
Konzentrationen im Zulauf mit einem Minimum am Sonntag (VT 51, 58, 65, 72) zu er-
kennen. das mittlere TKN/BSB5-Verhältns betrug 0,41.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74
Versuchstage (VA3)
CS
B, T
OC
und
TK
N im
Z
ulau
f [m
g/l]
CSB_zuTOC_zu
TKN_zu
Abb. 6.46 Zulaufwerte im VA3ai
Die Intensivuntersuchungsphase 3ci zeichnete sich dadurch aus, daß die Rückbelas-
tung aus der Schlammbehandlung aus dem Zulauf zu den Versuchsanlagen herausge-
nommen wurde. Die Kennwerte sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 96 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.16 Zulaufkennwerte VA3ci (14.10. bis 5.11.97 VT 96-117)
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
Pge
s
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 203 55 79 23 17 117 5,0 15 25 15 3,5 Max 633 281 265 244 67 363 8,3 59 60 39 8,2 Mittel 442 110 201 129 36 220 7,6 33 51 32 6,5 Anzahl 12 10 10 19 21 22 22,0 22 22 22 10,0
Das für die Denitrifikation entscheidende TKN/BSB5-Verhältnis betrug in diesem Inten-
sivuntersuchungsabschnitt ohne Rückbelastung im Mittel 0,25.
Der Verlauf der gemessenen Zulaufwerte für CSB, TOC und TKN ist in Abbildung 42
dargestellt. Bedingt durch die intensive Regenperiode bis zum 96. Versuchstag kam es
im weiteren Untersuchungszeitraum zu einem kontinuierlichen Anstieg der Zulaufkon-
zentrationen. Hierbei war der Anstieg der CSB-Werte wesentlich stärker ausgeprägt als
der Anstieg der TOC und TKN Konzentrationen.
0
100
200
300
400
500
600
700
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118
Versuchstage (VA3)
CS
B, T
OC
und
TK
N im
Z
ulau
f [m
g/l]
CSB_zuTOC_zu
TKN_zu
Abb. 6.47 Zulaufwerte im VA3ci
6.5.6.2 Ablaufkonzentrationen
a) Kohlenstoff
Bedingt durch technische Probleme mit den Probenehmern konnte im Intensiv-
untersuchungsabschnitt VA3ai nur eine Ablaufprobe gezogen werden. Die DOC-
Konzentrationen an diesem Versuchstag (Nr. 42) lagen bei 8 mg/l im Ablauf für die An-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 97 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
lagen WABAG und ZENON. Im Intensivuntersuchungsabschnitt VA3ci wurde von allen
drei Anlagen gleichzeitig Probe gezogen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungsphase,
die im Anschluß an eine Regenperiode folgte (vgl. Abb. 6.35), sind in der Abb. 6.48
dargestellt. Mit zunehmenden CSB-Werten im Zulauf erhöhten sich auch die CSB-
Ablaufwerte. Die mittlere CSB-Elimination blieb im VA3ci mit ca. 95 % annähernd kon-
stant.
0
5
10
15
20
25
30
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118
Versuchstage (VA3)
CS
B u
nd D
OC
im A
blau
f [m
g/l]
WABAGZENONBERGHOF
CSB
DOC
Abb. 6.48 CSB und DOC im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA3ci)
b) Stickstoff
In den folgenden beiden Abbildungen sind die Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der
Versuchsanlagen WABAG und ZENON für den VA3ai dargestellt.
Bei ausreichender Sauerstoffversorgung und damit vollständiger Nitrifikation erreichen
die Nitrat-Ablaufkonzentrationen bei den Anlagen Werte von über 40 mg/l. Wie aber an
dem ausgeprägten Wochenrythmus zu erkennen ist (So. eingetragen) liegt dies eindeu-
tig an der zu hohen Rückbelastung durch das Abwasser aus der Schlammbehandlung.
Bei der Anlage WABAG konnte trotz feinblasiger Belüftung nicht ausreichend Sauer-
stoff für eine vollständige Nitrifikation zugeführt werden. Bei Belastungsspitzen (VT 59
und 61) erreichten die Ammoniumablaufkonzentrationen den Meßbereich des Ammo-
niummeßgerätes von 20 mg/l.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 98 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74
Versuchstage (VA3)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l] Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
WABAG
9:00 Uhr
So. So.So.So.
So.
Abb. 6.49 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA3ai)
Bei der Anlage ZENON schlugen die Belastungsspitzen des TKN weniger ausgeprägt
auf die Ammoniumablaufkonzentrationen durch. Nur am VT 53 konnte nicht ausrei-
chend Sauerstoff zugeführt werden und die NH4+-N - Ablaufkonzentrationen stiegen
kurzfristig auf 20 mg/l an.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
ZENON
9:00 Uhr
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
So. So. So.So.So.
Abb. 6.50 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (ZENON, VA3ai)
In den folgenden Abbildungen sind die Stickstoffablaufkonzentrationen in der Phase
ohne Rückbelastung aus der Schlammbehandlung dargestellt.
Wie in Abb. 6.51 zu erkennen ist, kam es bei der Versuchsanlage WABAG wie schon
vorher, zu keiner vollständigen Nitrifikation. Abgesehen von drei Ausnahmen zu Beginn
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 99 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
von VA3ci blieben die Ammoniumablaufkonzentrationen im weiteren Verlauf aber unter
5 mg/l. Die NO3--N-Konzentrationen schwankten zwischen 0 und knapp 25 mg/l.
0
5
10
15
20
25
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118
Versuchstage (VA3)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
WABAG
9:00 Uhr
Abb. 6.51 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (WABAG, VA3ci)
Auch bei der Versuchsanlage ZENON war die Nitrifikation zu Beginn von Va3ci nicht
vollständig. Im weiteren Verlauf konnte kaum noch Ammonium im Ablauf nachgewiesen
werden. Die Nitratkonzentrationen im Ablauf schwankten zwischen 5 und knapp
20 mg/l.
0
5
10
15
20
25
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
ZENON
9:00 Uhr
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
So.
So.
So.
So.
Abb. 6.52 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (ZENON, VA3ci)
In der folgenden Abbildung sind die Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Anlage
BERGHOF im VA3ci dargestellt. Die Anlage BERGHOF befand sich noch in der
Optimierungsphase, die Regelung der Nitrifikation war noch völlig unzureichend.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 100 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
30
35
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)
NO
3- -N, N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
Nitrat im Ablauf
Ammonium im AblaufBERGHOF
Abb. 6.53 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (BERGHOF, VA3ci)
c) PO43--P -Konzentrationen
Im Gegensatz zu den Stickstoffkonzentrationen zeigten die PO43--P-Konzentrationen im
Ablauf der Versuchsanlagen eine wesentlich geringere Schwankung im Tagesverlauf.
Jedoch zeigte sich jeweils zu Wochenbeginn - mit Beginn der Schlammpressungen -
eine deutliche Abnahme der PO43--P Konzentrationen im Ablauf der Versuchsanlagen.
0
1
2
3
4
5
6
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)
PO
43--P
im A
blau
f [m
g/l] WABAGZENON
Abb. 6.54 PO4
3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA3ai)
In der folgenden Abbildung ist der Verlauf der PO43--P-Konzentrationen im Versuchsab-
schnitt VA3ci aufgetragen. Zusätzlich sind noch die Konzentrationen der Anlage
BERGHOF mit aufgeführt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 101 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
1
2
3
4
5
6
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)
PO
43--P
im A
blau
f [m
g/l] WABAG
ZENONBERGHOF
Abb. 6.55 PO4
3--P im Ablauf (WABAG und ZENON, VA3ci)
Der Verlauf der P-Konzentrationen im Ablauf ist parallel mit der Zunahme der CSB-
Werte im Zulauf. Bis zum Versuchstag 100 konnten für alle drei Anlagen identische Ab-
laufkonzentrationen gemessen werden. Im weiteren Verlauf liegen die Konzentrationen
bei der Anlage BERGHOF über denen der anderen Anlagen.
6.5.6.3 Stickstoffelimination
Der Einfluß der Rückbelastung wird besonders bei der Stickstoffelimination deutlich. Im
VA3ai (mit Rückbelastung) lag die mittlere Stickstoffelimination für die Anlage WABAG
bei 60 und für die Anlage ZENON bei 64 % (vgl. Abb. 6.56). Bei mittleren TKN-
Konzentrationen von 51 mg/l im Zulauf lag die Summe von Ammonium- und Nitratstick-
stoff im Ablauf der Anlage WABAG bei 30 mg/l und bei der Anlage ZENON bei 24 mg/l.
Die Stickstoffelimination kann als unzureichend bezeichnet werden (Abb. 6.56).
0
10
20
3040
50
60
7080
90
100
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%]
WABAGZENON
Abb. 6.56 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA3ai)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 102 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Durch Wegnahme der Rückbelastung aus der Schlammbehandlung erhöhte sich die
Stickstoffelimination bei den Versuchsanlagen.
0
10
20
3040
50
60
7080
90
100
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.57 Stickstoffelimination (WABAG und ZENON, VA3ci)
Im VA3ci wurde im Mittel von der Versuchsanlage ZENON 80 % Stickstoffelimination
erreicht. Bei der Anlage WABAG im Mittel 70 %, wobei hier allerdings der Ausfall ab
Versuchstag 105 nicht gewertet wurde. Die Anlage BERGHOF erreichte im Mittel 61 %
Stickstoffelimination, wobei hier noch ein Großteil in Form von Ammoniumstickstoff vor-
lag (Anlage BERGHOF noch in der Optimierungsphase).
Im Vergleich zum Versuchsabschnitt mit Rückbelastung konnte die Stickstoffelimination
um 10 bis 16 Prozentpunkte gesteigert werden. Mit durchschnittlichen Ablaufwerten
von ca. 10 mg/l bei der Anlage ZENON und 15 mg/l bei der Anlage WABAG können die
Überwachungswerte zwar im Tagesmittel, aber immer noch nicht mit ausreichender
Sicherheit (vgl. maximale Nitratkonzentration in Abb. 6.51 und Abb. 6.52) in der
relevanten 2 h Mischprobe eingehalten werden. Nur mit getrennter Behandlung des
Abwassers aus der Schlammbehandlung alleine kann die erforderliche
Stickstoffelimination folglich auch nicht erreicht werden. Inwieweit eine zusätzliche
Verkleinerung der Vorklärung zusammen mit einer Verringerung der Rückbelastung
aus der Schlammbehandlung die sichere Einhaltung der Stickstoff-Überwachungswerte
gewährleistet, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. In jedem Fall ist bei der
Ausbauplanung der Kläranlage auf zusätzliche Maßnahmen zur Stickstoffelimination zu
achten. Diese müssen eine Verkleinerung der Vorklärung und eine Bewirtschaftung der
Abwässer aus der Schlammbehandlung beinhalten.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 103 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.5.6.4 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion
Zur Verdeutlichung der Auswertungsmethode für die Schlammbelastung und die Über-
schußschlammproduktion ist in der folgenden Abbildung beispielhaft der Gesamtertrag
bei der Anlage WABAG im VA3 dargestellt. Dieser Gesamtertrag berücksichtigt sowohl
die im Reaktor zugewachsene als auch die mit dem Überschußschlamm abgezogene
Schlammasse. In den einzelnen Versuchsabschnitten wird durch Mittelwertbildung die
mittlere tägliche Schlammzunahme ermittelt. Für die Berechnung der spezifischen Ü-
berschußschlammproduktion wird dann dieser gemittelte täglich Zuwachs zur Zulauf-
fracht in Beziehung gesetzt.
y = 4,2416x
y = 1,0325x + 57,683
y = 1,7895x + 28,986
y = 4,2591x - 172,9
y = 1,1353x + 138,35
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
Ges
amte
rtra
g [k
g]
Abb. 6.58 Schlammzuwachs (Anlage WABAG, VA3)
Die Schlammbelastungen, berechnet aus dem Verhältnis von Zulauffracht zu mittlerer
Feststoffmasse im System, ist für die Versuchsanlagen in den Intensivuntersuchungs-
phasen VA3ai und VA3ci in den folgenden beiden Abbildungen dargestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 104 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74Versuchstage (VA3)
TO
C-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gTO
C/(
kgT
S,d
)]
WABAGZENON
Abb. 6.59 TOC-Schlammbelastung (WABAG und ZENON, VA3ai)
Die mittleren Schlammbelastungen betrugen im VA3ai 0,01 bzw.
0,043 kgTOC/(kgTS⋅d) für die Anlage WABAG und 0,014 kgTOC/(kgTS⋅d) bzw.
0,058 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON (Abb. 6.59).
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118Versuchstage (VA3)
TO
C-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gTO
C/(
kgT
S,d
)]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.60 TOC-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA3ci)
Im VA3ci lagen die Belastungen höher als im VA3ai. Im Mittel bei 0,027 bzw.
0,096 kgTOC/(kgTS⋅d) für die Anlage WABAG und 0,037 kgTOC/(kgTS⋅d) bzw.
0,132 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON. Die mittleren Belastungen der Anlage
BERGHOF betrugen 0,04 kgTOC/(kgTS⋅d) bzw. 0,12 kgCSB/(kgTS⋅d).
In der folgenden Abbildung ist die spezifische Überschußschlammproduktion zusam-
men für die Versuchsabschnitte 3ai und 3ci angegeben
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 105 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
42 48 54 60 66 72 78 84 90 96 102 108 114
Versuchstage (VA3)
Ert
rags
koef
fizie
nt
[kgT
S/(
kgT
OC
zu,d
)]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.61 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA3ai und 3ci)
Im VA3ai kann die mittlere spezifische Überschußschlammproduktion wie folgt ange-
geben werden (auf den CSB bezogene ÜS-Produktion nicht abgebildet):
• Anlage WABAG: 1,61 kgTS/kgTOCzu bzw. 0,61 kgTS/kgCSBzu
• Anlage ZENON: 1,9 bzw. 0,6
und im VA3ci (Abb. 6.61):
• Anlage WABAG: 0,45 kgTS/kgTOCzu bzw. 0,1 kgTS/kgCSBzu
• Anlage ZENON: 0,3 bzw. 0,08
• Anlage BERGHOF: 1,2 bzw. 0,3
Die niedrigere spezifische Überschußschlammproduktion im VA3ci im Vergleich zum
VA3ai - trotz höherer Belastung - kann durch die intensiven Niederschläge mit verdünn-
tem Zulauf in der Zeit vom 90 bis 95 erklärt werden. Die Systeme befanden sich noch
nicht in einer stationären Phase und bei der Mittelwertbildung des Schlammzuwachses
wurde die Niedriglastphase kurz vor VA3ci mit eingerechnet.
6.5.7 Zusammenfassung VA3
Im Mittelpunkt des dritten Versuchsabschnittes stand die hydraulische Leistung der
Membransysteme bei kläranlagenproportionaler Beschickung und die Stickstoffelimina-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 106 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
tion unter Einfluß von realen Belastungsstößen infolge von Regenereignissen sowie die
Beurteilung von Maßnahmen zur Verbesserung der Stickstoffelimination.
Bei variablen Beschickungen zwischen umgerechnet 6 und 45 l/(m²⋅h) konnte bei der
Versuchsanlage WABAG eine hohe Membranleistung mit zunehmender Tendenz ge-
messen werden. Die Permeabilität erhöhte sich im Versuchsabschnitt 3 von 130
l/(m²⋅h⋅bar) auf 180 l/(m²⋅h bar).
Bei der Anlage ZENON wurde zu Beginn des Versuchsabschnittes die Membranmodu-
le vom Typ ZW150 gegen neue Module vom Typ ZW500 mit optimierter Luftzufuhr
ausgetauscht. Die Permeabilität dieser neuen Module nahm nach dem Einbau von an-
fänglich über 300 l/(m²⋅h⋅bar) innerhalb von 35 Tagen auf 100 l/(m²⋅h⋅bar) und im weite-
ren Versuchsverlauf auf 70 l/(m²⋅h⋅bar) ab.
Die für eine Bemessung maßgebenden Flüsse bei einer Abwassertemperatur von
10 °C sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
Tab. 6.17 Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit im VA3
WABAG ZENON
max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm [l/(m2⋅h)] 35 25
Transmembrandruck bei Qm [bar] 0,35 0,4
zulässiger Fluß bei Trockenwetterzufluß Qt [l/(m2⋅h)] 18,8 13,9
Transmembrandruck bei Qt [bar] 0,17 0,18
Die Stickstoffelimination mit Rückbelastungseinfluß lag bei der Versuchsanlage WA-
BAG bei ca. 60 % und bei der Anlage ZENON bei ca. 64 %, die mittleren Nanorg-
Ablaufkonzentrationen lagen für die Anlage WABAG bei 30 mg/l und bei der Anlage
ZENON bei 24 mg/l. Die Tagesspitzen erreichten Werte von über 40 mg/l Nanorg im Ab-
lauf.
Im Versuchsabschnitt ohne Rückbelastung konnte die Stickstoffelimination um 10 bis
16 Prozentpunkte erhöht werden. Jedoch konnte der Überwachungswert von 18 mg/l
Nanorg auch bei dieser Betriebseinstellung nicht eingehalten werden. Für den Ausbau
der Kläranlage Immenstaad zur Stickstoffelimination ist - unabhängig von der Verfah-
renswahl – auf besondere Maßnahmen zur Verbesserung der Stickstoffsituation zu
achten. Hierzu muß neben einer Bewirtschaftung der Abwässer aus der Schlammbe-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 107 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
handlung auch die Verkleinerung der Vorklärung zur Verbesserung des TKN/BSB5-
Verhältnisses gehören.
Die durchschnittlich geringere Stickstoffeliminationsleistung bei der Anlage WABAG ist
auf die Kombination von Membran- und Biologiebelüftung zurückzuführen. Bei niedri-
gen Zulaufkonzentrationen stellt sich aufgrund der vorgegebenen Mindestbelüftung für
die Membranfiltration ein hoher Sauerstoffgehalt in der Nitrifikationszone ein. Dadurch
wird die ohnehin schon geringe Denitrifikationsleistung noch weiter verringert. Anderer-
seits konnte bei der Anlage WABAG bei hohen Zulaufkonzentrationen mit der vorhan-
denen Belüftungsanordnung nicht genügend Sauerstoff für eine vollständige Nitrifikati-
on zugeführt werden.
Die mittleren Schlammbelastungen betrugen im VA3ai für die Anlage WABAG
0,043 kgCSB/(kgTS⋅d) und für die Anlage ZENON 0,058 kgCSB/(kgTS⋅d). Die resultie-
renden spezifischen Überschußschlammproduktionen betrugen bei beiden Anlagen
0,6 kgTS/kgCSBzu.
Im VA3ci wurden bei höheren Belastungen (0,10 für die Anlage WABAG und
0,13 kgCSB/(kgTS⋅d) für die Anlage ZENON) niedrigere spezifische Über-
schußschlammproduktionen ermittelt. Die Werte betrugen 0,1 kgTS/kgCSBzu für die
Anlage WABAG und 0,08 kgTS/kgCSBzu für die Anlage ZENON. Ursache hierfür war
der instationäre Betrieb der Versuchsanlagen im VA3ci unmittelbar nach einer längeren
Regenperiode.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 108 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.6 Versuchsabschnitt 4 (5.11.97 bis 07.01.98)
6.6.1 Zielsetzung
Im Mittelpunkt des vierten Versuchsabschnittes stand die Phosphorelimination der
Membran-Versuchsanlagen bei kläranlagenproportionaler Beschickung. Zielvorgabe
war hier die Einhaltung der Überwachungswerte im Ablauf der Versuchsanlagen von
0,3 mg/l Pges im Tagesmittel und 1,0 mg/l Pges in der qualifizierten Stichprobe.
Aufgrund der kälteren Witterungsperiode konnten zusätzlich wichtige Zusammenhänge
zwischen Temperatur und Anlagenleistung gewonnen werden.
6.6.2 Protokoll und Kennwerte VA4
Der VA4 begann am 5.11.97 (VT1) und endete am 7.1.98 (VT117). Die Intensivunter-
suchungsphase dauerte vom 3.12.97 (VT 28) bis zum 22.12.97 (VT 47). Nachfolgend
sind die wichtigsten Ereignisse aufgelistet:
10.11.97 09:00 5,0 ZENON: Zulauf ausgefallen
10.11.97 10:00 5,0 WABAG: Fällung gestartet
10.11.97 12:00 5,1 BERGHOF: Austausch Modul 1 gegen Typ 61100 und Modul 2 gegen gereinigtes Modul Typ 37100
11.11.97 16:00 6,3 ZENON: Fällung gestartet
12.11.97 10:00 7,0 WABAG: Rezirkulationspumpe ausgefallen
12.11.97 13:00 7,2 KA: Beginn Regenereignis
13.11.97 17:00 8,3 ZENON: neue Gebläse (Rootsgebläse) eingebaut
20.11.97 12:00 15,1 WABAG: Inbetriebnahme Gebläseabschaltung: bei O2 > 3 mg/l für 600 s bei Niveau < 295 und Qzu < 1,5
20.11.97 13:00 15,2 WABAG: bis 15 Uhr falsche Ablaufanalysen (von BERGHOF)
21.11.97 15:00 16,3 BERGHOF: Einbau von zwei Prallplatten und zwei Bögen zur Optimierung des Sauerstoffeintrages und der Denitrifikation
21.11.97 10:00 16,0 WABAG: Fällmitteldosierung verdoppelt
21.11.97 11:00 16,1 WABAG: Rezirkulation auf 5 m³/h erhöht
21.11.97 11:30 16,1 ZENON: Fällmitteldosierung verdoppelt
24.11.97 12:00 19,1 ZENON: Anlage ausgefallen (bis zum 25.11. 11 Uhr)
30.11.97 16:00 25,2 ZENON: Dauerbetieb mit beiden Modulen
02.12.97 09:00 27,0 KA: Fäkalieneinleitungen am Wochenanfang verursacht hohe Ablaufkonzentrationen des Stickstoffes
02.12.97 12:00 27,1 BERGHOF: Installation Vorlagebehälter zur diskontinuierlichen Beschickung
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 109 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
04.12.97 12:00 29,1 BERGHOF: Reinigung Module 2 und 4
06.12.97 10:00 31,0 BERGHOF: kein Zulauf da Stator Zulaufpumpe defekt
08.12.97 09:00 33,0 alle Anlagen: Dosierbehälter leergelaufen!!
10.12.97 13:00 35,2 Zulaufbehälter nach Sieb gereinigt; Zulaufpumpen aus
12.12.97 12:00 37,1 WABAG: Strommessung für Gebläse jetzt vor FU
15.12.97 15:00 40,3 BERGHOF: Regelung N/DN durch Ammoniummessung im Ablauf
16.12.97 09:00 41,0 BERGHOF: Tausch Modul 4 (jetzt 61100); Ausfall der SPS (bis 19.12.97)
19.12.97 10:00 44,0 ZENON: O2-Elektrode neu kalibriert; jetzt Nitrifikation wieder besser
20.12.97 12:00 45,1 BERGHOF: Zulauf ausgefallen (Motorschütz)
Nicht aufgeführt sind die wöchentlich ein- bis zweimal durchgeführten Modulreinigun-
gen bei der Anlage BERGHOF. Aufgrund der groben Feinsiebung mit nur 3 mm ver-
bunden mit einem geringen Rückhalt von Fasern (wurden durch das Sieb gedrückt)
kam es immer wieder zu Verstopfungen im Zulaufbereich zu den Membranen. Die Ver-
stopfungen mußten manuell beseitigt werden.
Die wesentlichen baulichen Änderungen bei den Versuchsanlagen werden noch kurz
beschrieben:
Anlage WABAG:
Die Belüftung der Versuchsanlage wurde so umgebaut, daß bei nicht zu hohem Füll-
stand und ausreichender Sauerstoffkonzentration in der Nitrifikationszone das Gebläse
ausgeschaltet wird. Gleichzeitig wird der Permeatabzug abgestellt. Bei hohem Füllstand
und/oder zu niedriger Sauerstoffkonzentration wird das Gebläse wieder eingeschaltet
und Permeat abgezogen. Durch diese Maßnahme wird zum einen die Denitrifikation
verbessert (weniger Sauerstoff wird in die DN-Zone rezirkuliert) und der Energiebedarf
vermindert.
Anlage ZENON
a) Tausch Gebläse
Die vorhandenen Gebläse wurden durch effektivere Rootsgebläse ersetzt um den
Stromverbrauch für die Belüftung zu senken.
b) Dauerbetrieb Membranmodule
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 110 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Aufgrund der konstant niedrigen Membranleistung reichte ein Modul zur Bewältigung
des Trockenwetterzuflusses nicht mehr aus und es wurde auf Dauerbetrieb mit zwei
Modulen umgeschaltet.
Anlage BERGHOF
a) Tausch Rohrmodule
Die zu Beginn eingebauten Module (Typ 37100, 12,5 m² Membranfläche) erbrachten
nicht die erforderliche Leistung und wurden Zug um Zug durch den Typ 61100 (11 m²
Membranfläche) ersetzt.
b) Umbau der Oberflächenbelüftung
Bedingt durch die konstruktive Ausbildung der Modulanschlüsse im oberen Bereich fal-
len die Umwälzströme zentral auf einen Punkt und erreichen nicht die erforderliche
Sauerstoffzufuhr. Zur Verbesserung der Belüftung wurden in zwei Loops Prallplatten (1
und 3) in den Reaktorkopf eingebaut um den Umwälzstrom aufzuweiten. In die beiden
anderen Loops (2 und 4) wurden Bögen zur Umlenkung des Umwälzstroms um 90°
nach unten und zur Einbringung unter der Wasseroberfläche eingebaut. Dadurch die-
nen diese Loops nur noch der Denitrifikation und es kann nur noch mit den Loops 1 und
3 belüftet werden.
c) Umbau diskontinuierliche Beschickung
Zur besseren Ausnutzung der Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation erfolgte die Be-
schickung diskontinuierlich zu Beginn der Denitrifikationsphase. Die während der Nitrifi-
kationsphase zufließende Wassermenge wurde in einem Vorlagebehälter von 1 m³
zwischengespeichert.
In der folgenden Tabelle sind die Kennwerte für den Versuchsabschnitt 4 angegeben.
Tab. 6.18 Zusammenstellung Kennwerte im VA4
VA4a WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 1-63 1-63 1-63
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,26 0,97 0,98
Feststoffgehalt g/l 14 15 14
Temperatur °C 13 14 13
Abwassermenge m³ 1.905 1.470 1.480
Gesamtertrag kg TS 280 210 170
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,15 0,14 0,111)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 111 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
1) P-Fällung später begonnen
Die Kennwerte des Intensivuntersuchungsabschnittes sind in nachstehender Tabelle
zusammengefaßt.
Tab. 6.19 Zusammenstellung Kennwerte im VA4i
VA4a WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 28-47 28-47 28-47
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,23 1,12 0,95
Feststoffgehalt g/l 14 17 13
Temperatur °C 12 13 12
Abwassermenge m³ 560 510 433
Gesamtertrag kg TS 75 61 44
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,13 0,12 0,10
6.6.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse
Wie im Versuchsabschnitt 3 diente der gemessene Kläranlagenablauf zur Berechnung
der Anlagenvolumenströme. Die Proportionalitätsfaktoren für die Anlagen schwankten
zwischen 1/250 und 1/300.
In Abb. 6.62 ist der Kläranlagenablauf dargestellt. Bei Regenereignissen wurde ein ma-
ximaler Zufluß von ca. 1100 m³/h erreicht. Dabei waren drei Regenereignisse sehr aus-
geprägt und dauerten mehrere Tage. Hierauf wird im Abschnitt Hydraulik gesondert
eingegangen. In Trockenwetterperioden betrug der maximale Tageszufluß nur noch ca.
250 m3/h und der minimale Nachtzufluß lag bei ca. 70 m³/h.
Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß erstmals seit Versuchsbeginn die Anlagen
auch durchgehend mit Mischwasser beschickt wurden. Das ausgeprägte Regenereig-
nis zu Beginn von VA3 fiel in die Umbauphase der Versuchsanlagen (Austausch Mem-
branmodule bei ZENON und Umbau Belüftung bei WABAG). Im VA2 erfolgte immer
nur eine kurzzeitige maximale Beschickung über eine Dauer von 2 Stunden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 112 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0100200300400500600700800900
1000110012001300
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
Klä
ranl
agen
zuflu
ß [m
³/h]
Trockenwetter-zufluß Qt
Bemessungszufluß Qm
Abb. 6.62 Kläranlagenzufluß im gesamten VA4
6.6.4 Hydraulik
Für den Gesamtüberblick werden die gesamten hydraulischen Daten des VA4 angege-
ben. Wie im vorhergegangenen Versuchsabschnitt wurden die Versuchsanlagen nach
Möglichkeit proportional zum Kläranlagenzufluß beschickt (Faktor ca. 1/300). Jedoch
ließen sich die minimalen Nachtzuflüsse (entsprechend nur ca. 0,2 m³/h) nicht realisie-
ren und die Anlagen wurden zeitweise konstant beschickt.
Bei der Versuchsanlage WABAG lagen die Zuflußvolumenströme zwischen 0,6 und
3,3 m³/h, die entsprechenden Flüsse zwischen 8 und 43 l/(m2h). Die Trans-
membrandrücke stiegen bis auf ca. 0,4 bar an. Allerdings konnten mit zunehmender
Versuchsdauer die maximalen Flüsse nur kurzfristig aufrecht erhalten werden. In der
folgenden Abbildung ist die Ganglinie des Flusses und des Drucks aufgetragen.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
p TM [b
ar]
Fluß
Transmembrandruck
W ABAG
Abb. 6.63 Fluß und Druck (WABAG, VA4)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 113 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Ab Versuchstag 45 kam es bei der Anlage WABAG (Abb. 6.63) immer wieder zur Ab-
schaltung der Zulaufpumpe aufgrund zu hohem Füllstand. Durch den neuen, sauer-
stoffgeregelten Intervallbetrieb der Belüftung und der Permeatpumpe konnte insbeson-
dere bei hohen Zulaufvolumenströmen und niedrigen Zulaufkonzentrationen (typisch für
Mischwasserzufluß) in den Belüftungsphasen das zwischengespeicherte Wasservolu-
men nicht mehr abgeführt werden. Auf diese Tatsache wird im Zusammenhang mit der
Permeabilität gesondert eingegangen.
Die maximalen Zulaufvolumenströme lagen bei der Anlage ZENON (Abb. 6.64) zu Be-
ginn noch bei 2,5 m3/h und gegen Ende nur noch bei 1,5 m3/h. Entsprechend reduzierte
sich der maximale Fluß von 31 auf 19 l/(m2h). Bei der Betrachtung des Flusses muß
unterschieden werden zwischen der Phase mit duchsatzabhängigem Modulbetrieb (bis
VT 25) und Dauerbetrieb beider Module (ab VT 25). Die transmembrane Druckdifferenz
bei maximalem Fluß lag während der gesamten Versuchszeit beim anlagenspezifi-
schen Maximum von 0,5 bar.
0
5
10
15
20
25
30
35
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
p TM [b
ar]
Fluß
Transmembrandruck
ZENON
Abb. 6.64 Fluß und Druck (ZENON, VA4)
In der Abb. 6.65 ist der Fluß der Versuchsanlage BERGHOF eingetragen. Der Trans-
membrandruck lag vorgegeben durch die geometrischen Bedingungen bei konstant 0,4
bar. Bei der Auswertung muß berücksichtigt werden, daß maximal 4 Modulblöcke zu-
geschalten werden können. Um eine Aussage über die Betriebszeit einzelner Module
zu erhalten, wurden am VT 10 Signalleitungen auf das Meßwerterfassungssystem ge-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 114 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
legt. Jedoch ist aufgrund der Mittelwertbildung der Meßwerterfassung eine exakte Zu-
ordnung der Modullaufzeiten nicht möglich. Die Flüsse variierten daher stark.
0102030405060708090
100110120
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
Flu
ß [l
/(m
²h)]
Fluß
BERGHOF
Abb. 6.65 Fluß (BERGHOF, VA4)
Im Mittel können aber bei der Anlage BERGHOF keine höheren Flüsse als 50 l/(m²⋅h)
erzielt werden. Der maximale Anlagendurchsatz war daher bei einer Membranfläche
zwischen 45 und 50 m² (je nach eingebautem Modultyp) auf 2 bis 2,5 m³/h begrenzt.
Der wesentliche hydraulische Parameter, die Permeabilität, ist in der folgenden Abbil-
dung für die Anlagen WABAG und ZENON dargestellt. Bedingt durch den Totalausfall
der Anlage WABAG gegen Ende von VA3 konnten einige defekte Meßgeräte nicht
schnell genug ausgewechselt werden und somit fehlt die Darstellung der Permeabilität
bei der Anlage WABAG bis zum 11. Versuchstag. Ausgehend von einer Permeabilität
von 180 l/(m²⋅h⋅bar) gegen Ende von VA3 und 180 l/(m²⋅h⋅bar) am Versuchstag 12 im
VA4 kann eigentlich nur geschlossen werden, daß der Verlauf dazwischen konstant
war und sich somit die Eisendosierung bisher nicht negativ auswirkte.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 115 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/(m
² h
bar)
] WABAG
ZENON
Intervallbelüftung
Abb. 6.66 Permeabilität bei 10 °C (WABAG und ZENON, VA4)
Bei der Anlage ZENON verringerte sich die Permeabilität kontinuierlich von ca. 70 auf
unter 40 l/(m2⋅h⋅bar) gegen Ende des Versuchsabschnittes VA4. Ein besonderer Einfluß
der Eisendosierung (ab VT 5) auf die Permeabilität ist nicht zu erkennen.
Mit Inbetriebnahme der Intervallbelüftung bei der Anlage WABAG ab Versuchstag 15
verringerte sich die Permeabilität von ca. 180 auf 165 l/(m2⋅h⋅bar). Im weiteren Ver-
suchsverlauf verringerte sich die Permeabilität parallel mit den Regenereignissen auf
ca. 90 l/(m2⋅h⋅bar). Eine drastische Verringerung der Permeabilität um 50 l/(m²⋅h⋅bar)
hatte dabei das Regenereignis am VT 28 zur Folge.
Diese Verringerung der Membranleistung hat seine Ursache in der Kombinationswir-
kung von Regenereignissen mit Temperaturabsenkung und Zulaufverdünnung sowie
der sauerstoffgeregelten Belüftung der Membranen. Nach einem Regenereignis (ver-
dünnter Zulauf) wurde der obere Grenzwert für die Abschaltung der Belüftung von
3 mg/l schnell erreicht. In der verbleibenden Filtrationszeit mußte das im Reaktor zwi-
schengespeicherte Wasservolumen mit höherem Fluß aber bei gleicher Belüftungsin-
tensität abgezogen werden. Dies führte zur Erniedrigung der Permeabilität. Bei Verzicht
auf den intervallweisen Membranbetrieb ist eine geringere Abnahme der Permeabilität
zu erwarten.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 116 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
In der folgenden Abbildung (Abb. 6.67) ist der Quotient aus Zuluftvolumenstrom zum
Fluß (bezogen auf den Ablaufvolumenstrom) dargestellt. Die Auswirkung der Absen-
kung von durchschnittlich 4 auf 2 am VT 7 kann nicht angegeben werden. Mit Installati-
on der intervallweisen Belüftung am Versuchstag 15 erniedrigte sich das Verhältnis er-
neut auf 2,5 und stieg im Anschluß nur langsam an. Am VT 28, bei einsetzendem Re-
genereignis und damit auch hohem Zulaufvolumenstrom reduzierte sich das Verhältnis
auf unter 2 Nm³⋅m²/l. Diese zu geringe spezifische Luftzufuhr kann die drastische Er-
niedrigung der Membranleistung erklären. Zur Bewältigung hoher Flüsse sind folglich
auch hohe Luftvolumenströme notwendig um die Membranen nicht dauerhaft in ihrer
Durchlässigkeit zu schädigen. Eine spezifische Luftzufuhr von 3 bis 4 Nm³⋅m²/l sollte
nach diesen Erfahrungen für einen kontinuierlichen Betrieb keinesfalls unterschritten
werden. Dementsprechend hätten für die maximalen Flüsse von 40 l/(m²⋅h) entspre-
chend 120 bis 160 Nm³/h zugeführt werden müssen. Die maximale Luftzufuhr war bei
der Anlage aber auf ca. 80 Nm³/h begrenzt. Und schon die 80 Nm³/h führten zu hohen
Sauerstoffkonzentrationen und zu einer Verringerung der Denitrifikationsleistung.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
Zul
uft/F
luß
[Nm
³ m
²/l]
Abb. 6.67 Verhältnis von Zuluftvolumenstrom zu Fluß (WABAG, VA4)
Der Einfluß der Eisendosierung kann bei der Anlage WABAG aufgrund der defekten
Druckmessung nicht sicher angegeben werden, jedoch kann aus den Ergebnissen bei
der Anlage ZENON geschlossen werden, daß auch für WABAG kein Einfluß bestand.
In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,
normiert auf 10°C, angegeben. Bei der Anlage WABAG muß in Abhängigkeit des Ver-
suchslaufs unterschieden werden. Mit zunehmender Versuchsdauer reduzierte sich der
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 117 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
maximale Fluß von 35 auf 25 l/(m²⋅h). Die entsprechenden transmembranen Druckdiffe-
renzen betrugen 0,32, 0,38 und 0,3 bar.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
WABAG
VT 1 bis 28
VT 28 bis 48
VT 48 bis 63
Abb. 6.68 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA4)
Bei der Anlage ZENON konnten zu Versuchsbeginn (obere Linie) noch maximale Flüs-
se von knapp 30 l/(m2⋅h) bei einem Transmembrandruck von 0,5 bar erzielt werden.
Gegen Versuchsende (untere Linie) reduzierte sich der maximale Fluß auf 18 l/(m2⋅h)
bei gleichem Transmembrandruck von 0,5 bar.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
ZENON
Abb. 6.69 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA4)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 118 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.6.5 Chemisch-physikalische Parameter
In den folgenden Abbildungen sind die chemisch-physikalischen Parameter in den Ver-
suchsanlagen dargestellt. In allen Versuchsanlagen reduzierte sich die Temperatur von
anfänglich ca. 18 °C auf minimale Werte von knapp unter 10 °C gegen Versuchsende.
In der Versuchsanlage WABAG variierte die Sauerstoffkonzentration wie schon in den
Versuchsabschnitten zuvor zwischen 1 und 7 mg/l. Insbesondere ab VT 28 konnten
aufgrund des verdünnten Zulaufs mit der zugeführten Luftmenge schnell hohe Sauer-
stoffkonzentrationen erreicht werden (Abb. 6.70).
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
WABAG
Abb. 6.70 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA4)
Bei der Versuchsanlage ZENON (Abb. 6.71) konnte bis zum Versuchstag 36 die Sau-
erstoffkonzentration größtenteils auf den Sollwert von ca. 1 mg/l geregelt werden. Ab
VT 36 wurde allein mit der Belüftung der Membranen die Sauerstoffversorgung der Bio-
logie sichergestellt und bei extrem niedriger Belastung maximale Konzentrationen von
bis zu 6 mg/l gemessen. Diese hohen Sauerstoffkonzentrationen führten wie bei der
Anlage WABAG selbstverständlich zu einer Erniedrigung der Denitrifikationsleistung.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 119 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
ZENON
Abb. 6.71 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA4)
Bei der Versuchsanlage BERGHOF (Abb. 6.72) variierte die Sauerstoffkonzentration
zwischen 0 und 6 mg/l. Die Regelung der Belüftung für die Nitrifikation und Denitrifikati-
on konnte bei den variablen Zulaufvolumenströmen nicht optimiert werden.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
BERGHOF
Abb. 6.72 Chem.-physikalische Parameter (BERGHOF, VA4)
In den folgenden Abbildungen sind die Ganglinien des Feststoffgehaltes und die Analy-
senwerte für den Glühverlust aufgetragen.
Der Feststoffgehalt lag in der Anlage WABAG meistens zwischen 12 und 14 g/l. Über
die Weihnachtsfeiertage (ab VT 47) wurde kein Überschußschlamm mehr abgezogen
und der Feststoffgehalt erhöhte sich auf 18 g/l. Bei der Versuchsanlage ZENON (Abb.
6.74) fiel gegen Mitte des Versuchsabschnittes die Online-Messung des Feststoffgehal-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 120 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
tes aus und wurde durch regelmäßige Labormessungen ersetzt. Die Festoffkonzentra-
tion wurde von anfänglich 12 auf 18 g/l gesteigert. Bei der Anlage BERGHOF (Abb.
6.75) wurde der Feststoffgehalt zwischen 12 und 16 g/l eingestellt.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV
WABAG
Abb. 6.73 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA4)
02468
1012141618202224262830
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV
ZENON
Abb. 6.74 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA4)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 121 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV
BERGHOF
Abb. 6.75 Feststoffgehalt und Glühverlust (BERGHOF, VA4)
Der Glühverlust wies aufgrund der Eisendosierung bei allen Versuchsanlagen eine ab-
nehmende Tendenz auf. Im Mittel erniedrigte sich der organische Anteil von 70 auf gut
60 % im Laufe des Versuchsabschnittes 4.
6.6.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 4i (3.12.97-22.12.97)
6.6.6.1 Zulaufwerte
In der Tab. 6.20 sind die ermittelten Zulaufwerte der Intensivuntersuchungsphase ent-
halten.
Tab. 6.20 Zulaufkennwerte VA4i
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
Pge
s
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 78 16 59 23 6 100 2,3 0,0 5 2 1,8 Max 446 116 263 310 50 911 8,3 41,0 73 43 13,0 Mittel 270 61 147 104 24 234 6,2 11,9 40 25 6,0 Anzahl 8 8 5 18 18 18 19,0 19,0 19 19 19,0
In der folgenden Abbildung sind die Zulaufkonzentrationen an TOC, TKN und Pges wäh-
rend des gesamten VA4 dargestellt. Die Intensivuntersuchungsphase ist mit einem Pfeil
gekennzeichnet.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 122 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
50
100
150
200
250
300
350
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64
Versuchstage (VA4)
TO
C u
nd T
KN
im
Zul
auf [
mg/
l]
0
2
4
6
8
10
12
14
Pge
s im
Zul
auf [
mg/
l]
TOC_zu TKN_zu Pges_zu
Abb. 6.76 Zulaufkonzentrationen im VA4
Aufgrund der Regenereignisse reduzierten sich alle Untersuchungsparameter. Bei-
spielsweise erniedrigte sich der TKN von 50 bis 70 mg/l zu Versuchsbeginn auf unter
20 mg/l gegen Versuchsende.
6.6.6.2 Ablaufkonzentrationen
a) Kohlenstoff
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Versuchstage (VA4)
DO
C im
Abl
auf [
mg/
l]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.77 CSB und DOC im Ablauf (WABAG und ZENON, VA4i)
Die DOC-Konzentrationen im Ablauf aller Versuchsanlagen lagen in der Intensivunter-
suchungsphase immer unter 8 mg/l in der Tagesmischprobe (Abb. 6.77). Hierbei zeigte
sich bei den Ablaufanalysen auch die abnehmende Tendenz in den Zulaufanalysen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 123 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Der CSB lag mit ca. 10 mg/l unter der Nachweisgrenze und ist hier nicht mehr aufge-
führt. Bei einem CSB im Zulauf von 270 mg/l und 10 mg/l im Ablauf betrug die CSB-
Elimination über 96 %. Inwieweit eine Steigerung der CSB-Elimination durch die Fäll-
mitteldosierung erzielt wurde, kann nicht angegeben werden. Unterschiede bei den
Versuchsanlagen hinsichtlich der Kohlenstoffelimination gab es nicht.
b) Stickstoff
Die Stickstoffablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen sind in den folgenden
Abbildungen dargestellt.
Bei der Versuchsanlage WABAG (Abb. 6.78) lagen die maximalen Nitratkonzentratio-
nen zwischen 20 und 25 mg/l. Die zugehörigen Ammoniumkonzentrationen lagen bei
ca. 5 mg/l.
0
5
10
15
20
25
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Versuchstage (VA4)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
WABAG
Abb. 6.78 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA4i)
Bei der Versuchsanlage ZENON war die Nitrifikation teilweise unvollständig. Der Grund
hierfür dürfte hauptsächlich in der Sauerstoffmessung liegen. Nach der Neukalibrierung
der O2-Sonde (siehe Abb. 79) konnte die vollständige Nitrifikation wieder erreicht wer-
den. Die maximalen Nitratkonzentrationen betrugen 20 bis 22 mg/l.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 124 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Versuchstage (VA4)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
Nitrat im AblaufAmmonium im Ablauf
ZENON Neukalibrierung O2-Sonde
Abb. 6.79 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (ZENON, VA4i)
0
5
10
15
20
25
30
48 50 52 54 56 58 60 62 64
Versuchstage (VA4)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
ZENON
Abb. 6.80 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (ZENON, VA4 nach Neukalibrierung der O2-Sonde)
Bei der Versuchsanlage BERGHOF (Abb. 6.81) war die Nitrifikation noch völlig unzurei-
chend. Nach Einbau eines Ammoniumsensors (ab 17.12.) zur Steuerung der N/DN
verbesserte sich die Nitrifikation. Bei ausreichender Nitrifikation lagen die maximalen
Nitratkonzentrationen zwischen 20 und 25 mg/l.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 125 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Versuchstage (VA4)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
9:00 Uhr
Nitrat im AblaufAmmonium im Ablauf
BERGHOF
Abb. 6.81 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (BERGHOF, VA4i)
Allerdings waren die hohen Nitratkonzentrationen keine Folge der üblichen tageszeitli-
chen Schwankung sondern eine Folge von Fäkalschlammeinleitungen, wie an der Ver-
schiebung der Maxima in die Nachtstunden zu erkennen ist (Beispielsweise für die An-
lage WABAG, VT 34 bis 36).
0
5
10
15
20
25
9:00
13:0
017
:00
21:0
01:
005:
009:
0013
:00
17:0
021
:00
1:00
5:00
9:00
13:0
017
:00
21:0
01:
005:
009:
0013
:00
17:0
021
:00
1:00
5:00
9:00
Versuchstage (VA4)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
WABAG
VT 33
Abb. 6.82 NO3--N und NH4
+-N im Ablauf (WABAG, VA4i, VT 33 bis 37)
c) PO43--P -Konzentrationen
Am Versuchstag 5 wurde bei den Anlagen WABAG und ZENON mit der Fällmitteldosie-
rung begonnen. Dabei mußte aber bei der Anlage ZENON die Dosierung wegen tech-
nischer Probleme mit der Dosierpumpe kurz unterbrochen werden. Ab dem 22. Ver-
suchstag wurde bei der Anlage BERGHOF mit der Dosierung von Eisen begonnen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 126 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bis zum Versuchstag 28 wurde in allen Anlage wurde Eisen (II)-sulfat (war auf der KA
vorhanden und wurde in den Dosierbehältern gelöst) dosiert. Ab Versuchstag 28 wurde
wegen der viel einfacheren Handhabung auf flüssiges Eisen (III)-chloridsulfat umge-
stellt.
Die Dosierung erfolgte in einem ersten Versuchsabschnitt konstant. Im weiteren Verlauf
wurde die Dosierung in Abhängigkeit der PO43--P Ablaufkonzentration geregelt und be-
trug ca. 200 bis 600 g Fe pro Tag, entsprechend ca. 8 bis 24 gFe/m³ bzw. 1 bis
3 gFe/gP.
In Abb. 6.83 sind die PO43--P –Ablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen aufge-
tragen. Mit Beginn der Fällmitteldosierung konnten sofort Ablaufkonzentrationen von
unter 0,3 mg/l PO43--P (= Pges, Laborkontrolle) erreicht werden. Die Einhaltung der ge-
forderten Ablaufwerte von 0,3 mg/l Pges im Tagesmittel und 1,0 mg/l Pges in der Stich-
probe ist somit problemlos möglich.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Versuchstage (VA4)
PO
43--P
[mg/
l]
WABAGZENONBERGHOF
Start Fällmitteldosierung
Abb. 6.83 PO4
3--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4-1)
Im weiteren Verlauf von VA4 war die kontinuierliche Einhaltung des Sollwertes von
0,3 mg/l nur eine Frage der funktionierenden Fällmitteldosierung. Nach einem Ausfall
der Dosierung stiegen die P-Konzentrationen im Ablauf innerhalb weniger Stunden an.
Aus der schnellen Reaktion der P-Ablaufkonzentrationen auf den Ausfall der Fällmittel-
dosierung kann auch geschlossen werden, daß Eisen nicht im Überschuß in den Anla-
gen vorhanden war. Die Angabe der Phosphorelimination erfolgt im Abschnitt 6.6.4.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 127 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64
Versuchstage (VA4)
PO
43--P
[mg/
l]
WABAGZENONBERGHOF
Ausfall Fällmitteldosierung
Abb. 6.84 PO43--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4-2)
6.6.6.3 Stickstoffelimination
Die Stickstoffelimination lag im Mittel bei den Anlage WABAG und ZENON bei 70 %.
Bei der Anlage BERGHOF konnten nur 60 % erzielt werden. Dabei konnten, vor allem
bis zum Versuchstag 47, von der Anlage ZENON die höchsten Werte erreicht werden.
Dies lag an der zu niedrigen Sauerstoffkonzentration mit unzureichender Nitrifikation
aber dadurch optimaler Denitrifikation.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.85 Stickstoffelimination (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)
Bei mittleren TKN-Zulaufkonzentrationen im VA4i von 40 mg/l betrugen die mittleren
Nges-Ablaufkonzentrationen für die Anlage WABAG und ZENON ca. 10 mg/l. Bei der
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 128 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Anlage BERGHOF betrug die mittlere Ablaufkonzentration ca. 13,5 mg/l an Nges mit
einer mittleren Ammoniumablaufkonzentration von 4 mg/l.
Wie schon in allen vorangegangenen Versuchsabschnitten konnte der Überwachungs-
wert von 18 mg/l Nges auch in diesem Versuchsabschnitt nicht eingehalten werden. Ne-
ben der bekannten Problematik der zu großen Vorklärung und der Bewirtschaftung des
Abwassers aus der Schlammbehandlung kam in diesem Abschnitt noch die Einleitung
von Fäkalschlämmen hinzu.
6.6.6.4 Phosphorelimination
Bei ausreichender Fällmitteldosierung ist die Einhaltung des Grenzwertes von 0,3 mg/l
auch in der 2 Stunden Mischprobe problemlos möglich. Von Interesse ist daher, wieviel
Fällmittel zur Einhaltung des Grenzwertes notwendig ist.
Auszugsweise wird hier der Abschnitt mit stationärem Betrieb der Anlagen zwischen
den Versuchstagen 36 und 47 herangezogen.
0
5
10
15
20
25
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46Versuchstage (VA4)
Fe-
Dos
ieru
ng [g
Fe/
m³] WABAG
ZENONBERGHOF
Abb. 6.86 Eisendosierung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)
Die mittlere Eisendosierung betrug im Versuchsabschnitt 4 für alle Anlagen durch-
schnittlich 10 g Fe/m³. Mit einer mittleren Pges-Konzentration im Zulauf von 6 mg/l wur-
den 1,7 gFe/gPZulauf dosiert um im Ablauf unter 0,3 mg/l PO43--P zu kommen.
In der folgenden Abbildung ist das Molverhältnis von zudosiertem Eisen zu gefälltem
Phosphor aufgetragen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 129 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,3
0,5
0,8
1,0
1,3
1,5
1,8
2,0
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46Versuchstage (VA4)
Mol
verh
ältn
is β
[mol
Fe/
mol
P]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.87 Molverhältnis β (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)
Das Molverhältnis β wurde aus der zudosierten Eisenfracht zur tatsächlich gefällten P-
Fracht errechnet. Die gefällte P-Fracht wurde aus der Differenz von Zu- und Ablauf-
fracht, abzüglich Assimilationsanteil (1 % vom BSB5 bzw. 1,35 % vom TOC), errechnet.
Mit mittleren β-Werten von 1,5 können PO43--P-Ablaufkonzentrationen von kleiner
0,3 mg/l sicher eingehalten werden.
6.6.6.5 Schlammbelastung und Überschußschlammproduktion
Aufgrund der durchgehenden Analysen der TOC-Zulaufkonzentrationen kann die
Schlammbelastung im gesamten VA4 angegeben werden. Mit zunehmender Verdün-
nung des Zulaufs verringerte sich bei konstantem TS-Gehalt die Schlammbelastung bei
allen Anlagen.
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64Versuchstage (VA4)
TO
C-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gTO
C/(
kgT
S,d
)]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.88 TOC-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 130 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die mittleren Schlammbelastungen sind in der folgenden Tabelle angegeben:
Tab. 6.21 Mittlere Schlammbelastungen im VA4 und VA4i in kgTOC/(kgTS⋅d)
WABAG ZENON BERGHOF
VA4 gesamt 0,025 0,025 0,02
VA4 intensiv (28 bis 47) 0,021 0,024 0,017
Für die Umrechnung in CSB-Belastungen kann mit einem TOC/CSB-Verhältnis von
0,35 (im gesamten VA4) gerechnet werden.
Die aus dem mittleren Zuwachs an Schlamm ermittelten Ertragskoeffizienten sind in der
folgenden Abbildung dargestellt. Hierbei muß berücksichtigt werden, daß durch die Mit-
telwertbildung des Schlammzuwachses nicht die einzelnen Belastungen mit korrespon-
dierendem Schlammzuwachs angegeben werden können.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68Versuchstage (VA4)
Ert
rags
koef
fizie
nt
[kgT
S/k
gTO
Czu
]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.89 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4a)
Die über den gesamten Versuchsabschnitt gemittelten spezifischen Über-
schußschlammproduktionen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
Tab. 6.22 Mittlere spez. Überschußschlammproduktion im VA4 und VA4i in kgTS/kgTOCzu
WABAG ZENON BERGHOF
VA4 gesamt 1,61 1,43 1,20
VA4 intensiv (28 bis 47) 1,58 1,38 1,15
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 131 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei vergleichbarer Schlammbelastung wie im VA3ci lag in diesem Versuchsabschnitt
mit Eisendosierung zur Phosphatfällung die Schlammproduktion wesentlich höher. Be-
trug die mittlere ÜS-Produktion im VA3ci nur ca. 0,3 bis 0,45 kgTS/kgTOCzu, so wurden
in diesem Abschnitt 1,6 kgTS/kgTOCzu gemessen.
6.6.7 Zusammenfassung VA4
Im Mittelpunkt des Versuchsabschnittes 4 stand die Phosphorelimination der Ver-
suchsanlagen bei kläranlagenproportionaler Beschickung.
Die Phosphorelimination verlief bei allen Versuchsanlagen sehr zufriedenstellend. Mit
mittleren spezifischen Fällmitteldosierungen von ca. 10 gFe/m³ bzw. 1,7 gFe/gPges kön-
nen Ablaufkonzentrationen von kleiner 0,3 mg/l sicher eingehalten. Durch den feststoff-
freien Ablauf liegen keine partikulären P-Verbindungen im Ablauf vor und bei Einhal-
tung einer PO43--Konzentration von 0,3 mg/l in der flüssigen Phase kann auch die Pges-
Konzentration von 0,3 mg/l eingehalten werden.
Die Stickstoffelimination war wie schon in den vorangegangenen Versuchsabschnitten
nicht ausreichend. Der Überwachungswert von 18 mg/l konnte in der 2 Stunden Misch-
probe nicht sicher eingehalten werden. Neben der Rückbelastung aus der Schlammbe-
handlung und dem zu großen Vorklärbecken wirkte sich in diesem Versuchsabschnitt
die Fäkalschlammeinleitung zusätzlich negativ auf die Stickstoffbilanz aus. Dieser Ge-
sichtspunkt ist bei der Ausbauplanung der Kläranlage zusätzlich zu beachten.
Aufgrund der verdünnten Zulaufverhältnisse in diesem Versuchsabschnitt stellte sich
heraus, daß die geringe Stickstoffelimination nicht nur an der vorgegebenen Abwasser-
situation auf der Kläranlage Immenstaad liegt, sonder daß auch die Membrananlagen
verfahrenstechnisch nicht für eine optimale Stickstoffelimination bzw. Denitrifikation ge-
eignet sind. Dies liegt sowohl bei der Anlage ZENON, aber insbesondere bei der Anla-
ge WABAG an der notwendigen Belüftung der Membranen. Wie sich zeigte, muß zur
Aufrechterhaltung einer konstanten Membranleistung eine Mindestmenge an Luft zur
Turbulenzerzeugung (Membranüberströmung) zugeführt werden. Dieser Luftvolumen-
strom führt bei verdünnten Zuläufen, bei denen noch ca. 25 mg/l TKN im Zulauf ge-
messen werden können, zur Sauerstoffsättigung in der Nitrifikation und zum Ausfall der
Denitrifikation. Wie sich weiter zeigte, kann aufgrund des Zusammenhangs zwischen
Membranbelüftung und Permeabilität die Luftzufuhr bei hohen Flüssen keinesfalls ge-
drosselt werden. Von daher müssen bei Einsatz der Membrantechnologie zusätzliche
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 132 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Maßnahmen zur Stickstoffelimination ergriffen werden, die bei einem konventionellen
Ausbau nicht erforderlich wären.
Bei der Anlage BERGHOF war die Nitrifikation und auch die Stickstoffelimination auf-
grund regelungstechnischer Probleme nicht ausreichend. Bei variablen Zulaufvolumen-
strömen mit stark wechselnden Konzentrationen, wie sie im VA4 häufig vorlagen, er-
wies sich die Verfahrensweise der intermittierenden Denitrifikation als ungeeignet.
Die Membranleistung war im VA4 bei allen Versuchsanlagen nicht zufriedenstellend.
Bei der Anlage BERGHOF konnten mit mittleren Flüssen von 50 l/(m²⋅h) die maximalen
Zulaufvolumenströme nicht bewältigt werden. Außerdem kam es aufgrund eines hohen
Gehaltes an Faserstoffen im Zulauf immer wieder zu Verstopfungen des Modulzulauf-
bereichs und mußte manuell gereinigt werden. Für die Versuchsanlage ZENON verrin-
gerte sich im Versuchsabschnitt 4 die Durchlässigkeit (Permeabilität) der Membran kon-
tinuierlich von 70 auf unter 40 l/(m²⋅h⋅bar). Auch bei der Anlage WABAG reduzierte sich
die Permeabilität erheblich. Konnte zu Versuchsbeginn von VA4 noch 180 l/(m²⋅h⋅bar)
gemessen werden, so war es gegen Ende des Versuchsabschnittes nur noch 90
l/(m²⋅h⋅bar). Die maximale hydraulische Leistung der Membransysteme ist in der fol-
genden Tabelle angegeben. Aufgrund der ständigen Verstopfungen wird die Anlage
BERGHOF nicht berücksichtigt.
Tab. 6.23 Maximale hydraulische Leistungsfähigkeit im VA4
WABAG ZENON
max. Fluß(10°C) bei Mischwasserzufluß Qm [l/(m2h)] 25 18
Transmembrandruck bei Qm [bar] 0,3 0,5
Bei der Anlage WABAG wirkte sich zudem die intervallweise Belüftung der Membranen
mit dem Ziel der Energieeinsparung äußerst negativ auf die Permeabilität aus. Wie in
der Analyse der Daten gezeigt werden konnte, kam es aufgrund zu geringer Belüftung
zu der beobachteten Verringerung der Membranleistung.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 133 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.7 Versuchsabschnitt 5 (7.1.98 - 6.4.98)
6.7.1 Zielsetzung
Im Mittelpunkt des fünften Versuchsabschnittes stand die Überschußschlammprodukti-
on bei hohem Schlammalter bei den Anlagen WABAG und ZENON. Zusätzlich konnte
die Auswirkung einer Membranreinigung bei diesen Systemen noch untersucht werden.
Bei der Anlage BERGHOF sollte die hydraulische Flexibilität entsprechend dem Ver-
suchsabschnitt VA2 untersucht werden. Dies scheiterte aber an den Membranen, die
kaum eine flexible Beschickung zuließen.
6.7.2 Protokoll und Kennwerte VA5
Der VA5 begann am 7.1.98 und endete am 6.4.98. Die Intensivuntersuchungsphase
dauerte vom 20.2. bis zum 31.3.98. Die wesentlichen Ereignisse werden kurz protokol-
liert:
Datum VT Beschreibung
09.01.98 12:00 2,1 Z: chemische Reinigung der Membranen
20.01.98 09:00 13,0 Sauerstoffeintragsversuche WABAG, ZENON und BERGHOF
20.01.98 16:00 13,3 W: Erhöhung max. Luft von 50 auf 60 Nm³/h
10.02.98 09:00 34,0 Sauerstoffeintragsversuche WABAG, ZENON und BERGHOF
10.02.98 16:00 34,3 W: chemische Reinigung der Membranen
In den folgenden Tabellen sind die wichtigsten Kennwerte dieser Untersuchungsphase
zusammengestellt.
Tab. 6.24 Zusammenstellung Kennwerte im VA5
VA5a WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 1-89 1-89 1-89
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,99 0,91 0,87
Feststoffgehalt g/l 19 20 14
Temperatur °C 11 12 12
Abwassermenge m³ 2.115 1.945 1.860
Gesamtertrag kg TS 220 205 155
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,104 0,105 0,083
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 134 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.25 Zusammenstellung Kennwerte im VA5i
VA5ai WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 45-83 45-83 45-83
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,98 0,91 0,85
Feststoffgehalt g/l 19 20 14
Temperatur °C 11 12 12
Abwassermenge m³ 920 850 795
Gesamtertrag kg TS 100 86 70
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,109 0,101 0,088
6.7.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse
Auch wenn in Versuchsabschnitt 5 die Beschickung hauptsächlich konstant erfolgte,
wird der Kläranlagenzufluß zur Veranschaulichung von Regenereignissen bzw. von
Mischwasserzuflüssen dargestellt (Abb. 6.90).
0100200300400500600700800900
1000110012001300
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Klä
ranl
agen
zuflu
ß [m
³/h]
Abb. 6.90 Kläranlagenzufluß im gesamten VA5
6.7.4 Hydraulik
Die Beschickung der Versuchsanlagen erfolgte nicht mehr kläranlagenproportional
sonder weitgehend konstant. Die mittleren Flüsse (Tagesmittel) der einzelnen Anlagen,
die zur Einschätzung der Membranleistung von Bedeutung sind, werden in der folgen-
den Abbildung dargestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 135 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
Flu
ß im
Tag
esm
ittel
[l/(
m²h
)]WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.91 Flüsse im Tagesmittel (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)
Die Anlagen WABAG und ZENON wurden weitestgehend identisch bei einem Fluß von
ca. 12 l/(m2⋅h) betrieben. Bei der Anlage BERGHOF, wo systembedingt nur ein Teil der
Membranfläche zum Einsatz kommt, variierte der Fluß bei einem mittleren Zulaufvolu-
menstrom von 0,87 m³/h zwischen 20 und 50 l/(m2⋅h).
Von besonderer Bedeutung sind die Auswirkungen der zu Versuchsbeginn durchge-
führten Membranreinigungen bei WABAG und ZENON auf die Permeabilität. Diese
werden detailliert für die einzelnen Anlagen aufgezeigt. Hierbei wird bei der Anlage
WABAG wieder ausführlich auch der Einfluß der Belüftungsintensität (Zuluftvolu-
menstrom/Fluß) mit ausgewertet.
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
Per
mea
bilit
ät10
°C
[l/(m
²hba
r)]
0
5
10
15
20
25
30
QLu
ft/F
luß
[Nm
³m²/
l]
Permeabilität
QLuft/Fluß
MembranreinigungWABAG
Sauerstoffeintragsversuche
Abb. 6.92 Permeabilität und QLuft/Fluß (WABAG, VA5)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 136 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
In Abb. 6.92 sind Permeabilität und Belüftungsintensität (QLuft/Fluß) der Versuchsanlage
WABAG dargestellt. Am Versuchstag 13 wurde die Anlage aufgrund der Sauerstoffein-
tragsversuche ohne Zulauf konstant belüftet und anschließend der maximale Luftvolu-
menstrom von ca. 50 auf 60 Nm³/h erhöht. Entsprechend erhöhte sich das mittlere Ver-
hältnis von Luft/Fluß von 2,8 auf 4 Nm³⋅m²/l. Insbesondere die ausgedehnte Ruhepause
bei den Sauerstoffeintragsversuchen erbrachte schon eine Erhöhung der Permeabilität
von 100 auf 130 l/(m2⋅h⋅bar). Am Versuchstag 35 erfolgte die chemische Reinigung der
Membranen bei der Anlage WABAG. Hierbei wurde - bei eingebautem Membranmodul
- Reinigungslösung (verdünnte Natriumhypochloritlösung, ca. 5%) über die Permeat-
abzugsleitung rückwärts in das Membranmodul eingefüllt. Die Permeabilität erhöhte
sich von 130 auf 225 l/(m2⋅h⋅bar). Im Laufe des weiteren Versuchsablaufs von VA5 re-
duzierte sich die Permeabilität bei der Anlage WABAG geringfügig auf 215 l/(m2⋅h⋅bar).
Bei der Anlage ZENON (Abb. 6.93) wurden am Versuchstag 2 die Membranen che-
misch gereinigt (Reinigungslösung: Natriumhypochloritlösung). Der Reinigungsvorgang
erbrachte eine Erhöhung der Permeabilität von knapp 50 auf über 400 l/(m2⋅h⋅bar). Im
weiteren Verlauf des VA4 verringerte sich die Permeabilität kontinuierlich auf 100
l/(m2⋅h⋅bar). Die vereinzelt hohen Werte wurden nach einer manuellen Rückspülung mit
Wasser, um Luft aus dem Leitungssystem zu entfernen, erzielt.
050
100150200250300350400450500550600
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/(m
²hba
r)]
Membran- reinigung
ZENON
Abb. 6.93 Permeabilität (ZENON, VA5)
Bei der Anlage BERGHOF variierte die Permeabilität bezogen auf 10 °C in Abhängig-
keit der eingesetzten Membranmodule (Typ 61100 oder 37100) zwischen 50 und
150 l/(m2⋅h⋅bar). Im Mittel wurde eine Permeabilität von 100 l/(m2⋅h⋅bar) erreicht.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 137 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
50
100
150
200
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/(m
²hba
r)]
BERGHOF
Abb. 6.94 Permeabilität (BERGHOF, VA5)
In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,
normiert auf 10°C, angegeben. Hierbei ist bei diesem Versuchsabschnitt zu berücksich-
tigen, daß die maximalen Flüsse nicht eingestellt worden sind. Die Anlagen konnten
hydraulisch nicht höher belastet werden, um die Biologie in einem stationären Betriebs-
zustand zu halten.
Bei der Anlage WABAG konnten vor der Membranreinigung Flüsse (keine maximalen
Flüsse) von 25 l/(m2⋅h) bei Transmembrandrücken von 0,28 bar erzielt werden. Nach
der Membranreinigung konnten die gleichen Flüsse bei Transmembrandrücken von
0,13 bar erzielt werden. Nach ca. 60 Tagen erhöhte sich der Transmembrandruck für
einen Fluß von 25 l/(m2⋅h) wieder auf 0,23 bar.
0
5
10
15
20
25
30
35
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
WABAG
vor Reinigung
nach Reinigung Ende VA5
Abb. 6.95 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA5)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 138 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei der Anlage ZENON (Abb. 6.96) konnten vor der Membranreinigung Flüsse von 18
l/(m2⋅h) bei einem Transmembrandruck von 0,5 bar erzielt werden. Unmittelbar nach
der Reinigung wurden Flüsse von 25 l/(m2⋅h) bei Drücken von 0,07 bar und gegen Ende
von VA5 bei Drücken von 0,22 bar erzielt. Die jeweiligen Linien sind in der Abb. 6.96
dargestellt.
0
5
10
15
20
25
30
35
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
ZENON
vor Reinigung
nach Reinigung
Ende VA5
Abb. 6.96 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA5)
6.7.5 Chemisch-physikalische Parameter
In den folgenden Abbildungen sind die wesentlichen Parameter zur Beschreibung der
Betriebszustände der jeweiligen Anlage aufgeführt.
Bis zum Versuchstag 75 variierte die Temperatur in den Versuchsanlagen zwischen 10
und 12 °C bei der Anlage WABAG. Die Regenereignisse am 10., 53. und 54. Ver-
suchstag führten jeweils zu einer Temperaturerniedrigung um 2 °C. Ab Versuchstag 15
stieg die Temperatur witterungsbedingt auf 15 °C an. Die Sauerstoffkonzentration
schwankte bei der Anlage WABAG zu Versuchsbeginn zwischen 2 und 5 mg/l. Höhere
Werte konnten nicht registriert werden, weil der obere Grenzwert des Sauerstoffmeßge-
rätes im Zusammenhang mit der intermittierenden Belüftung auf 5 mg/l herabgesetzt
wurde. Ab Versuchstag 15 fiel mit zunehmendem Feststoffgehalt (siehe Abb. 6.98) und
geringerem Mischwasserzulauf der Sauerstoffgehalt in der Nitrifikationszone. Dies hat
seine Ursache im niedrigen Sauerstoffeintrag bei hohen Feststoffgehalten und den hö-
heren Zulaufkonzentrationen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 139 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
WABAG
Abb. 6.97 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA5)
Der Feststoffgehalt erhöhte sich bei der Anlage WABAG von 12,5 zu Versuchsbeginn
auf knapp 25 g/l am Versuchstag 37. Aufgrund reduzierter Betreuung wurde in der An-
fangszeit kein Überschußschlamm abgezogen und die gebildete Biomasse im System
zwischengespeichert. Ab Versuchstag 38 wurde der Schlammabzug wieder regelmäßig
durchgeführt und der Feststoffgehalt reduzierte sich kontinuierlich.
0,0
2,5
5,0
7,5
10,0
12,5
15,0
17,5
20,0
22,5
25,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV
WABAG
Abb. 6.98 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA5)
Wie bereits erwähnt, wird bei der Anlage ZENON die Temperatur in der Rezirkulations-
leitung im Container gemessen. Die kurzzeitig erhöhten Temperaturmeßwerte zeigen
bei einer Betriebsunterbrechung nicht die Abwassertemperatur sondern die Umge-
bungstemperatur im Versuchscontainer. Der Temperaturverlauf war bei der Anlage
ZENON ansonsten ähnlich wie bei der Anlage WABAG. Es wurde eine Minimaltempe-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 140 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
ratur von ca. 9 °C erreicht. Wie schon im VA4 wurde bei Mischwasserzuflüssen (VT 10
bis 15 und ab VT 60) im Nitrifikationsbecken Sauerstoffkonzentrationen bis zu 4 mg/l
gemessen. Die Sauerstoffzufuhr durch die Membranbelüftung überstieg den Sauer-
stoffverbrauch und somit stellten sich hohe Sauerstoffkonzentrationen ein. Dies hatte,
wie schon beschrieben, einen negativen Einfluß auf die Denitrifikationsleistung.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-WertSauerstoff
ZENON
Abb. 6.99 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA5)
Die Temperatur in der Anlage BERGHOF variierte zwischen 9 und 16 °C. Die höheren
Temperaturen resultierten aus einem Anlagenstillstand mit Aufheizung des Reaktorin-
haltes. Die Sauerstoffkonzentration pendelte ungleichmäßig zwischen 0 und 6 mg/l. Es
gelang im Versuchsabschnitt 5 nicht, die Sauerstoffkonzentration auf das notwendige
Maß für eine ausreichende Nitrifikation zu reduzieren um gleichzeitig den sich an-
schließenden Denitrifikationsprozeß nicht zu stören.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
BERGHOF
Abb. 6.100 Chem.-physikalische Parameter (BERGHOF, VA5)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 141 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Aufgrund einer defekten Feststoffsonde können bei der Anlage ZENON nur Mittelwerte
des Feststoffgehaltes aus Laboranalysen angegeben werden. Der Feststoffgehalt ent-
wickelte sich vergleichbar mit dem der Anlage WABAG und erreichte am Versuchstag
40 mit ca. 25 g/l ein Maximum. Der Glühverlust erhöhte sich mit zunehmender Ver-
suchsdauer von 64 auf 70 % und blieb dann konstant.
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS (Mittelwerte)
GV
ZENON
Abb. 6.101 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA5)
Bei der Anlage BERGHOF wurde der Feststoffgehalt bis zum Versuchstag 45 bei ca.
15 g/l konstant gehalten und anschließend auf 11 g/l reduziert. Der Glühverlust erhöhte
sich von 60 auf 70 %.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV
BERGHOF
Abb. 6.102 Feststoffgehalt und Glühverlust (BERGHOF, VA5)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 142 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.7.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 5i (20.2.98-31.3.98)
6.7.6.1 Zulaufwerte
In Tab. 6.26 sind die mittleren Zulaufwerte zusammengefaßt. Aufgrund von Problemen
mit dem TOC-Meßgerät konnten in diesem Abschnitt nur wenige TOC-Analysen durch-
geführt werden (nicht dargestellt). In der Mitte dieser Intensivuntersuchungsphase ver-
dünnten ausgiebige Regenereignisse die Zulaufkonzentrationen (siehe Abb. 6.90 und
Abb. 6.103).
Tab. 6.26 Zulaufkennwerte VA5i (Tag 28 - 83)
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
Pge
s
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 60 21 33 42 2,7 0 9 9,0 1,3 Max 685 64 278 686 8,1 13 84 31,2 9,6 Mittel 229 37 114 173 5,3 7 33 15,7 4,5 Anzahl 27 9 9 27 9 9 31 9 9
In der folgenden Abbildung sind die Zulaufkonzentrationen an CSB, TKN und Pges wäh-
rend der Intensivuntersuchungsphase dargestellt.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84
Versuchstage (VA5)
CS
B u
nd T
KN
im
Zul
auf [
mg/
l]
0
2
4
6
8
10
12
Pge
s im
Zul
auf [
mg/
l]
CSB_zu TKN_zu Pges_zu
Abb. 6.103 Zulaufwerte im VA5i
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 143 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.7.6.2 Ablaufkonzentrationen
a) Kohlenstoff
Wie schon im VA4 wurde der CSB im Ablauf der Versuchsanlagen nicht mehr be-
stimmt. Die aus den Tagesmischproben ermittelten DOC-Ablaufkonzentrationen sind in
der folgenden Abbildung dargestellt. Bei CSB-Zulaufwerten von 300 mg/l betrugen die
DOC-Ablaufkonzentrationen ca. 6 mg/l. Im weiteren Verlauf reduzierten sich die Ablauf-
konzentrationen parallel mit den CSB-Zulaufwerten auf nur noch 3 mg/l und erhöhten
sich gegen Ende der Intensivuntersuchungsphase wieder auf knapp 7 mg/l. Unter-
schiede bei den Versuchsanlagen hinsichtlich der Kohlenstoffelimination gab es nicht.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84
Versuchstage (VA5)
DO
C im
Abl
auf [
mg/
l] WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.104 DOC im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF VA5i)
b) Stickstoff
Die Stickstoffablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen sind in den folgenden
Abbildungen für den Versuchsabschnitt VA5i dargestellt. Die Nitratablaufkonzentratio-
nen konnten aufgrund eines defekten Meßgerätes erst ab Versuchstag 48 gemessen
werden.
Wie aus dem Verlauf der Sauerstoffkonzentration auch nicht anders zu erwarten war,
konnte bei den Versuchsanlagen WABAG und ZENON vollständig nitrifiziert werden.
Ammonium war im Ablauf kaum nachweisbar. Die Nitratkonzentrationen erreichten bei
beiden Anlagen Maximalwerte von bis zu 35 mg/l. Bei gleichzeitig hohen Sauerstoff-
konzentrationen in den Nitrifikationszonen (WABAG: über 4 mg/l und ZENON: über
3 mg/l) kann gefolgert werden, daß für eine optimale Denitrifikation die Luftzufuhr zu
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 144 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
hoch war. Die hohe Luftzufuhr ist aber für die Membranbelüftung notwendig und konnte
nicht weiter gedrosselt werden, da sonst die Membranleistung verringert wird.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
WABAG
Abb. 6.105 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA5i)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
ZENON
Abb. 6.106 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (ZENON, VA5i)
Bei der Anlage BERGHOF erfolgte die Regelung der Nitrifikation und Denitrifikation in
diesem Versuchsabschnitt mittels eines Ammoniumsensors im Ablauf der Anlage. Ü-
berschritt die Ammoniumkonzentration im Ablauf den eingestellten Grenzwert (3 bis 4
mg/l) wurde die Anlage auf Nitrifikationsbetrieb umgestellt. Dies geschah, indem die
Loops 1 und 3, die mit Prallplatten versehen waren, in Betrieb genommen wurden. Bei
Erreichen des unteren Grenzwertes ( 1 mg/l NH4+-N) wurde auf Denitrifikationsbetrieb
umgestellt. Es wurden dann die Loops betrieben, die mit einem Umlenkbogen zur Ein-
bringung des Konzentratstromes unter die Wasseroberfläche versehen waren. Hier-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 145 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
durch gelang es in der Regel, den eingestellten Grenzwert von 5 mg/l NH4+-N im Ablauf
nicht zu überschreiten. Allerdings konnte aufgrund zu niedriger Membranleistung der
Denitrifikationsmodule der Zulaufvolumenstrom nur durch den Betrieb dieser beiden
Module nicht bewältigt werden. So mußten auch in der Denitrifikationsphase die eigent-
lich für den Nitrifikationsbetrieb vorgesehenen Module in Betrieb genommen werden
und die Denitrifikation wurde durch den Sauerstoffeintrag gestört. Folglich wurden bei
der Anlage BERGHOF gleich hohe Nitratkonzentrationen wie bei den anderen Anlagen
gemessen, wobei zusätzlich noch 5 mg/l NH4+-N im Ablauf vorhanden waren. Die in-
termittierende Stickstoffelimination funktionierte nicht zufriedenstellend.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
BERGHOF
Abb. 6.107 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (BERGHOF, VA5i)
c) PO43--P -Konzentrationen
in der folgenden Abbildung sind zur Verdeutlichung der Zulaufsituation die PO43--P –
Ablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen aufgetragen. Nach dem Ende der
Fällmitteldosierung am 7.1.98 erhöhten sich die PO43--P Konzentrationen im Ablauf
wieder auf Werte von 3 mg/l. Die niedrigen Werte im Ablauf der Anlage ZENON am 35.
Versuchstag waren eine Folge der Sauerstoffeintragsversuche mit intensiver Durchmi-
schung des gesamten Reaktorinhaltes. Vermutlich wurden noch nicht aufgebrauchte
Fällmittelreste aktiviert.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 146 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
PO
43--P
im A
blau
f [m
g/l] WABAG
ZENONBERGHOF
Abb. 6.108 PO4
3--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)
6.7.6.3 Stickstoffelimination
Die mittlere Stickstoffelimination im gesamten VA5i betrug für die Anlage WABAG
42 %, für die Anlage ZENON 56 % und für die Anlage BERGHOF 50 % (Abb. 6.109).
Die niedrigen Eliminationsleistungen lassen sich zum einen aus dem sehr ungünstigen
TKN/CSB-Verhältnis während der Versuchstage 64-68 erklären. Bei einem TKN von
ca. 15 mg/l betrug der CSB 105 mg/l und der BSB5 nur 41 mg/l (in der Tagesmischpro-
be).
Andererseits ist wieder zu berücksichtigen, daß aufgrund der zu hohen Luftzufuhr die
Denitrifikationsleistung beeinträchtigt wurde. Gerade bei Zulaufbedingungen, bei denen
der CSB im Zulauf dringend für die Nitratatmung zur Verfügung gestellt werden muß,
wird eine hohe Sauerstofffracht rezirkuliert und die Nitratatmung somit unterdrückt.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA4)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.109 Stickstoffelimination (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 147 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Insgesamt war auch in diesem Versuchsabschnitt die Stickstoffelimination zur Einhal-
tung des Überwachungswertes von 18 mg/l Nanorg nicht ausreichend.
6.7.6.4 Schlammbelastung, Überschußschlammproduktion und Schlammalter
Aufgrund der technischen Probleme mit dem TOC-Meßgerät wird in diesem Versuchs-
abschnitt mit CSB-Zulaufwerten gerechnet. In der folgenden Abbildung ist zur Verdeut-
lichung der Berechnung der Schlammbelastung der Verlauf der gesamten Feststoff-
masse in allen Anlagen dargestellt. Diese wird aus dem Feststoffgehalt und dem Reak-
torvolumen ermittelt.
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Ges
amtm
asse
[kg]
W ABAG
ZENON
BERGHOF
Abb. 6.110 Gesamtmasse an Feststoffe in den Versuchsanlagen (WABAG, ZE-
NON und BERGHOF, VA5)
Die CSB-Schlammbelastungen berechnen sich dann aus der täglichen CSB-
Zulauffracht dividiert durch die aktuelle Gesamtmasse an Feststoffen im System. In der
folgenden Abbildung ist der Verlauf der CSB-Schlammbelastung im VA5i dargestellt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 148 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)
CS
B-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gCS
B/(
kgT
S,d
)]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.111 CSB-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)
Wie in Abb. 6.111 zu sehen ist, reduzierten sich die Schlammbelastungen für alle Anla-
gen von ca. 0,1 am Versuchstag 44 auf 0,01 kgCSB/(kgTS⋅d) am Versuchstag 68. Die
über den gesamten Intensivuntersuchungsabschnitt gemittelten Schlammbelastungen
sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Tab. 6.27 Mittlere Schlammbelastungen im VA5i in kgCSB/(kgTS⋅d)
WABAG ZENON BERGHOF
VA5 intensiv (44-84) 0,030 0,037 0,041
Für die Berechnung der spezifischen Überschußschlammproduktion ist die Zunahme
an Feststoffen entscheidend. In Abb. 6.112 ist die Summenlinie des Feststoffzuwach-
ses aufgetragen. Die Wertepaare der Anlagen WABAG und ZENON verlaufen weitge-
hend parallel. Der Unterschied bei der Anlage BERGHOF kann nicht erklärt werden.
Wahrscheinlich wurde der Feststoffabzug durch Modulspülungen nicht exakt bilanziert.
Ab Versuchstag 42 war die tägliche Feststoffzunahme (Steigung der Ausgleichsgera-
den) aber vergleichbar mir den anderen Versuchsanlagen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 149 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
020406080
100120140160180200220
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
TS
-Zuw
achs
[kg]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.112 Summenlinie des Feststoffzuwachses (WABAG, ZENON und BERG-
HOF, VA5)
Aus der mittleren täglichen Feststoffzunahme kann durch Division mit der Zulauffracht
die spezifische Überschußschlammproduktion ermittelt werden. Die Abb. 6.113 zeigt
die Ergebnisse des VA5i.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
44 48 52 56 60 64 68 72 76 80 84Versuchstage (VA5)
spez
. ÜS
-Pro
dukt
ion
[kgT
S/k
gCS
Bzu
]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.113 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5ai)
In der Tab. 6.28 werden die mittleren Werte zusammengefaßt.
Tab. 6.28 Mittlere spez. Überschußschlammproduktion im VA5i in kgTS/kgCSBzu
WABAG ZENON BERGHOF
VA5 intensiv (28 bis 47) 0,662 0,641 0,502
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 150 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Wie schon bei den vorhergehenden Versuchsabschnitten muß bei der spez. Schlamm-
produktion berücksichtigt werden, daß die Zunahme an Feststoffen aus einem Mittel-
wert errechnet wird, die zugeführte Fracht allerdings als Tageswert angegeben wird.
Hierdurch ergeben sich für die niedrigen CSB-Belastungen vom Versuchstag 64 bis 86
scheinbar hohe Erträge.
In der folgenden Abbildung ist für den Versuchsabschnitt 5 das Schlammalter (entspre-
chend der Definition in Kapitel 2.5) dargestellt. Hierbei wird die Anfangsphase bei der
Anlage BERGHOF und die Versuchsphase ab VT 85 nicht berücksichtigt.
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Sch
lam
mal
ter
[d]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.114 Schlammalter (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)
Im Mittel kann für den betrachteten Untersuchungszeitraum ein Schlammalter von 70
Tagen angegeben werden.
6.7.7 Zusammenfassung VA5
Im Mittelpunkt des Untersuchungsabschnittes 5 stand die Überschußschlammprodukti-
on bei den Anlagen WABAG und ZENON. Ziel war es, durch eine geringe Belastung
den Schlammzuwachs zu minimieren.
Bei der Anlage BERGHOF sollten die hydraulischen Versuche des VA1 und VA2 nach-
gefahren werden. Dies war aber aufgrund der mangelhaften Flexibilität und der noch
nicht funktionsfähigen Stickstoffelimination bei variablen Zulaufvolumenströmen nicht
möglich. Daher wurde auch die Anlage BERGHOF konstant beschickt, die Stickstoff-
elimination optimiert und in die Ergebnisse zur Überschußschlammproduktion zusam-
men mit den anderen Anlagen verglichen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 151 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Bei einem Schlammalter von ca. 70 Tagen, mittleren Belastungen von 0,03 bis
0,04 kgCSB/(kgTS⋅d) betrug die spezifische Überschußschlammproduktion ca. 0,5 bis
0,6 kgTS/kgCSBzu. Dieser Wert wurde bei vorhergehenden Versuchsabschnitten eben-
falls erreicht und ist auch mit üblichen Bemessungswerten von konventionellen Anlagen
vergleichbar. Die Überschußschlammproduktion konnte in diesem Versuchsabschnitt
trotz hohen Feststoffgehalten und niedrigen Schlammbelastungen nicht spürbar redu-
ziert werden.
Die Stickstoffelimination war im Versuchsabschnitt 5 bei allen Versuchsanlagen nicht
ausreichend. Dies liegt, wie schon mehrmals erwähnt, einerseits an der ungünstigen
Zusammensetzung des Abwassers. Andererseits wurde aber auch deutlich, daß die
Versuchsanlagen WABAG und ZENON systembedingte Schwächen bei der Denitrifika-
tion aufweisen. Aufgrund der konstant hohen Luftmenge zur Turbulenzerzeugung auf
der Membranoberfläche (Reinigung) wird bei Mischwasserzufluß zuviel Sauerstoff in
das Belebungsbecken eingetragen und dadurch die Denitrifikation verringert. Eine
Drosselung der Luftzufuhr ist ohne Beeinträchtigung der Membranleistung nicht mög-
lich.
Die Regelparameter für die intermittierende Nitrifikation/Denitrifikation konnten bei der
Versuchsanlage BERGHOF auch im Versuchsabschnitt 5 nicht an die variablen Zulauf-
konzentrationen angepaßt werden. Zwar konnte der Ammoniumgrenzwert von 5 mg/l in
der Regel eingehalten werden, jedoch war die Denitrifikationsleistung ungenügend.
Die bei der Versuchsanlage ZENON durchgeführte Membranreinigung führte kurzfristig
zu einer Erhöhung der Permeabilität von 50 auf über 400 l/(m2⋅h⋅bar). Im weiteren Ver-
suchsverlauf verringerte sich die Permeabilität kontinuierlich auf 105 l/(m2⋅h⋅bar) inner-
halb von 80 Tagen. Diese Verringerung der Membranleistung kann in diesem Ver-
suchsabschnitt nicht durch eine hydraulische Überlastung hervorgerufen worden sein.
Die mittleren Flüsse, bezogen auf eine Temperatur von 10 °C, lagen konstant bei ca.
12 l/(m2⋅h).
Bei der Versuchsanlage WABAG wurde schon vor der chemischen Reinigung der
Membranen einer Erhöhung der Permeabilität durch eine Erhöhung der Luftzufuhr er-
reicht. Allein durch diese Maßnahme erhöhte sich die Permeabilität von 100 auf
130 l/(m2⋅h⋅bar). Dies bedeutet, daß die zum Zwecke der Energieeinsparung eingeführ-
te intermittierende Belüftung der Membranen als nicht optimal zu bewerten ist. Es kann
nur an der Belüftung gespart werden, wenn gleichzeitig häufigere Reinigungsintervalle
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 152 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
in Kauf genommen werden. Durch die chemische Reinigung erhöhte sich die
Permeabilität von 130 auf 225 l/(m2⋅h⋅bar). Im weiteren Verlauf reduzierte sich die Per-
meabilität geringfügig auf 215 l/(m2⋅h⋅bar).
Die Anlage BERGHOF wies über den gesamten Versuchsabschnitt 5 eine mittlere
Permeabilität von 100 l/(m2⋅h⋅bar) auf. Bei einem möglichen Transmembrandruck von
0,4 bar entspricht dies einem Fluß von 40 l/(m2⋅h). Dies liegt bei weitem unter dem an-
gestrebten Sollwert von 80 bis 100 l/(m2⋅h). Die hydraulische Leistung der Versuchsan-
lage BERGHOF blieb daher hinter den Erwartungen zurück. Zudem konnte aufgrund
der faserigen Stoffe im Zulauf ein konstanter Versuchsbetrieb ohne manuelle Reinigung
des Zulaufbereichs der Module nicht aufrecht erhalten werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 153 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.8 Versuchsabschnitt 6 (6.4.98 - 2.6.98)
6.8.1 Zielsetzung
Im Mittelpunkt des sechsten Versuchsabschnittes stand wie schon im VA5 die Über-
schußschlammproduktion bei hohem Schlammalter bei den Anlagen WABAG und ZE-
NON. Bei der Anlage BERGHOF ist versucht worden, die Membranleistung durch eine
Belüftung der Module zu steigern.
6.8.2 Kennwerte VA6
Der VA6 begann am 6.4.98 und endete am 2.6.98. Die Intensivuntersuchungsphase
dauerte vom 5.5.98 bis zum 25.5.98 (Versuchstage 29 bis 49). Wesentliche Störfälle
waren im VA6 nicht zu verzeichnen.
Tab. 6.29 Zusammenstellung Kennwerte im VA6
VA6a WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 1-57 1-57 1-57
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 0,99 0,83 0,98
Feststoffgehalt g/l 18 22 11
Temperatur °C 16 16 16
Abwassermenge m³ 1.355 1.135 1.340
Gesamtertrag kg TS 140 110 145
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,103 0,097 0,108
Tab. 6.30 Zusammenstellung Kennwerte im VA6i
VA6ai WABAG ZENON BERGHOF
Versuchszeitraum Tage 29-49 29-49 29-49
mittlerer Zulaufvolumenstrom m³/h 1,01 0,80 0,96
Feststoffgehalt g/l 19 22 11
Temperatur °C 17 18 17
Abwassermenge m³ 485 384 461
Gesamtertrag kg TS 46 38 50
spez. Schlammertrag kg TS/m³ 0,095 0,099 0,108
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 154 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.8.3 Kläranlagenzufluß und Regenereignisse
Wie bereits im VA5 dient die Darstellung des Kläranlagenzuflusses (Abb. 6.115) der
Verdeutlichung der Konzentrationsschwankungen im Zulauf. Die Beschickung aller
Versuchsanlagen erfolgte nicht kläranlagenproportional sondern konstant. Es waren nur
wenige, kurz andauernde Mischwasserzuflüsse vorhanden.
0100200300400500600700800900
1000110012001300
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
Klä
ranl
agen
zuflu
ß [m
³/h]
Abb. 6.115 Kläranlagenzufluß im gesamten VA6
6.8.4 Hydraulik
Die Beschickung der Versuchsanlagen erfolgte nicht mehr kläranlagenproportional
sonder weitgehend konstant. Die mittleren Flüsse der einzelnen Anlagen, die zur Beur-
teilung der Membranleistung von Bedeutung sind, werden in der folgenden Abbildung
dargestellt.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Versuchstage (VA6)
Flu
ß(W
abag
und
Zen
on)
[l/(m
²h)]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Flu
ß(B
ergh
of) [
l/(m
²h)]
WABAGZENONBERGHOF
Berghof:Module gereinigt
Abb. 6.116 Flüsse im Tagesmittel (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 155 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die Anlagen WABAG und ZENON wurden zu Versuchsbeginn mit einem identischen
Fluß von 10 l/(m2⋅h) betrieben. Ab Versuchstag 15 wurde der Zulaufvolumenstrom zu
Anlage WABAG gesteigert und über 4 Tage ein Fluß von 15 mit anschließender Redu-
zierung auf 12 l/(m2⋅h) eingestellt. Ab Versuchstag 54 wurden die Anlagen WABAG und
ZENON höher beschickt, entsprechende Flüsse von 15 und 12,5 l/(m2⋅h) stellten sich
ein.
Die Anlage BERGHOF wurde durchgehend mit 1,0 m³/h beschickt. Dieser Zulaufvolu-
menstrom wurde systembedingt mit einer unterschiedlichen Anzahl von Modulen abge-
arbeitet. In Abhängigkeit der Leistung der verschiedenen Module stellte sich zu Beginn
von VA6 ein mittlerer Fluß von 50 l/(m2⋅h) ein. Nach einer Reinigung der Module (Nr.
28) konnten Flüsse von über 100 l/(m2⋅h) erzielt werden. Der mittlere Fluß reduzierte
sich jedoch innerhalb von 20 Tagen wieder auf Werte um die 50 l/(m2⋅h).
In Abb. 6.117 sind die Permeabilitäten für die Anlagen WABAG und ZENON im VA6
dargestellt. Bei der Anlage WABAG konnte über die Versuchsdauer vom VA6 im Mittel
eine konstante Permeabilität von 225 l/(m2⋅h⋅bar) erzielt werden. Bei der Anlage ZE-
NON variierte die Permeabilität in Abhängigkeit der manuellen Entlüftung der Permeat-
leitung mittels zusätzlicher Wasserrückspülung. Werden diese hierdurch kurzfristig er-
höhten Permeabilitäten nicht mitgerechnet, stellte sich bei der Anlage ZENON ein Wert
von ca. 100 l/(m2⋅h⋅bar) im VA6 ein.
0
50
100
150
200
250
300
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/m²h
bar]
WABAG
ZENON
Abb. 6.117 Permeabilität (WABAG und ZENON, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 156 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
50
100
150
200
250
300
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
Per
mea
bilit
ät10
°C [l
/m²h
bar] BERGHOF
Abb. 6.118 Permeabilität (BERGHOF, VA6)
Bei der Versuchsanlage BERGHOF (Abb. 6.118) stellte sich die Permeabilität vor der
Reinigung der Membranen auf ca. 100 bis 120 l/(m2⋅h⋅bar) ein. Nach der Reinigung er-
höhte sich die Permeabilität auf knapp 200 l/(m2⋅h⋅bar), fiel aber wieder auf 120 l/(m2⋅h)
im weiteren Verlauf von VA6 ab.
In den folgenden Abbildungen sind die Zusammenhänge zwischen Druck und Fluß,
normiert auf 10°C, angegeben. Hierbei ist bei diesem Versuchsabschnitt zu berücksich-
tigen, daß die maximalen Flüsse nicht eingestellt worden sind. Es wurde aber an 3 Ver-
suchstagen die Zulaufvolumenströme erhöht, um die Flüsse kurzzeitig zu steigern. Aus
diesen einzelnen Belastungserhöhungen bei den Anlagen WABAG und ZENON kön-
nen Aussagen über die hydraulische Flexibilität getroffen werden.
0
5
10
15
20
25
30
35
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
WABAG
Abb. 6.119 Fluß (10°C) und Druck (WABAG, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 157 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Durch den variablen Ablaufvolumenstrom konnte bei der Anlage WABAG ein ausge-
prägter Zusammenhang zwischen Druck und Fluß hergestellt werden. Im VA6 wurden
bei einem Transmembrandruck von 0,21 bar Flüsse von 30 l/(m2⋅h) erreicht. Der maxi-
male Fluß wurde nicht eingestellt.
Bei der Anlage ZENON wurde im VA6 ein Fluß 22 l/(m2⋅h) bei einem Trans-
membrandruck von 0,20 bar erzielt. Der mittlere Fluß von 8 l/(m2⋅h) (Bezugstemperatur
von 10 °C) wurde mit Transmembrandrücken zwischen 0,03 und 0,1 bar bewältigt.
0
5
10
15
20
25
30
35
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Transmembrandruck [bar]
Flu
ß10
°C [l
/(m
²h)]
ZENON
Abb. 6.120 Fluß (10°C) und Druck (ZENON, VA6)
6.8.5 Chemisch-physikalische Parameter
Bei allen Versuchsanlagen erhöhte sich die Temperatur von 12 auf ca. 20 °C zu Ver-
suchsende.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 158 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
02468
10121416182022
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
WABAG
Abb. 6.121 Chem.-physikalische Parameter (WABAG, VA6)
Die Sauerstoffkonzentration variierte bei der Anlage WABAG (Abb. 6.121) zwischen 2
und 4 mg/l bis zum Versuchstag 40. Im weiteren Verlauf nahm die Sauerstoffkonzentra-
tion durchschnittlich auf Werte um 2 mg/l, mit weiter fallender Tendenz, ab.
02468
10121416182022
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
ZENON
Abb. 6.122 Chem.-physikalische Parameter (ZENON, VA6)
Die Sauerstoffkonzentration konnte bei der Anlage ZENON in der Regel bei ca. 1 mg/l
konstant gehalten werden. Nur während der Regenereignisse zwischen Versuchstag
22 und 30 kam es zeitweise zu leicht erhöhten Sauerstoffkonzentrationen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 159 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
02468
10121416182022
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
O2
[mg/
l] -
pH -
T [°
C]
Temperatur
pH-Wert
Sauerstoff
BERGHOF
Abb. 6.123 Chem.-physikalische Parameter (BERGHOF, VA6)
Bei der Anlage BERGHOF setzte sich die Variation der Sauerstoffkonzentration zwi-
schen 0 mg/l und der Sättigungskonzentration auch in diesem Versuchsabschnitt fort.
In den drei folgenden Abbildungen sind die Feststoffgehalte und die Glühverluste von
allen Versuchsanlagen aufgetragen. Der Glühverlust war bei allen Versuchsanlagen mit
ca. 70 % relativ konstant.
Die Feststoffgehalte variierten bei der Anlage WABAG (Abb. 6.124) zwischen 15 und
22 g/l, bei der Anlage ZENON (Abb. 6.125) zwischen 20 und 25,5 g/l und bei der Anla-
ge BERGHOF (Abb. 6.126) zwischen 10 und 14 g/l.
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV
WABAG
Abb. 6.124 Feststoffgehalt und Glühverlust (WABAG, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 160 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV ZENON
Abb. 6.125 Feststoffgehalt und Glühverlust (ZENON, VA6)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Glü
hver
lust
[%]
TS
GV BERGHOF
Abb. 6.126 Feststoffgehalt und Glühverlust (BERGHOF, VA6)
6.8.6 Intensivuntersuchung im Versuchsabschnitt 6i (20.2.98-31.3.98)
6.8.6.1 Zulaufwerte
In der folgenden Tabelle werden die Zulaufwerte vom VA6i zusammengefaßt.
Tab. 6.31 Zulaufkennwerte VA6i (Tag 28 - 83)
CS
B
CS
Bm
f
BS
B5
TO
C
DO
C
SS
SK
4,3
HA
c
TK
N
NH
4+-N
Pge
s
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l mg/l mg/l mg/l mg/l Min 231 49 129 59 117 8,1 40 32 4,9
Max 413 90 258 111 300 9,0 60 48 9,8
Mittel 294 71 181 91 168 8,4 49 39 6,7
Anzahl 20 9 9 7 20 9,0 20 9 9,0
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 161 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Der Verlauf der Zulaufwerte von CSB und TKN im VA6i ist in der folgenden Abbildung
dargestellt. Die Zunahme der TKN-Konzentrationen von ca. 40 auf 60 mg/l im Tages-
mittel verläuft umgekehrt zur Abnahme des mittleren Kläranlagenzuflusses (siehe Abb.
6.115). Bei den CSB-Werten ist ebenfalls eine leicht steigende Tendenz zu verzeich-
nen: von 250 auf knapp 350 mg/l.
0
50
100
150
200
250
300
350
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
Versuchstage (VA6)
CS
B im
Zul
auf [
mg/
l]
0
10
20
30
40
50
60
70
TK
N i
m Z
ulau
f [m
g/l]
CSB_zu
TKN_zu
Abb. 6.127 Zulaufkonzentrationen im VA6
6.8.6.2 Ablaufkonzentrationen
a) Kohlenstoff
0
2
4
6
8
10
12
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49
Versuchstage (VA6)
DO
C im
Abl
auf [
mg/
l]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.128 DOC im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF VA6i)
Die DOC-Konzentrationen im Ablauf der Versuchsanlagen WABAG und ZENON lagen
in der Intensivuntersuchungsphase 6i unter 8 mg/l in der Tagesmischprobe. Die Kon-
zentrationszunahme im Ablauf verläuft parallel mit der Konzentrationszunahme im Zu-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 162 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
lauf an CSB. Unterschiede bei den Versuchsanlagen WABAG und ZENON hinsichtlich
der Kohlenstoffelimination gab es nicht.
Bei der Anlage BERGHOF wurden erstmals höhere DOC-Ablaufkonzentrationen ge-
messen als bei den anderen beiden Anlagen. Der Grund hierfür kann in der im Intensiv-
untersuchungszeitraum durchgeführten Modulbelüftung zur Steigerung des Flusses
liegen. Hierzu wurde in das Modul Druckluft eingeblasen um mit höheren Scherkräften
die Deckschicht abzulösen. Auch wenn die Deckschichtablösung nicht zu einer nen-
nenswerten Flußsteigerung führte, so wurde durch diese Maßnahmen zumindest der
DOC im Ablauf erhöht.
b) Stickstoff
Die Stickstoffablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen sind in den folgenden
Abbildungen für den gesamten Versuchsabschnitt VA6 dargestellt.
Im Ablauf der Anlage WABAG wurde an drei Tagen Spitzenkonzentrationen von
15 mg/l NH4+-N gemessen. Diese Überlastungen der Nitrifikation traten parallel mit den
Zuflußspitzen zur Kläranlage auf. Die Nitratkonzentration erreichte Maximalwerte von
34 mg/l.
Bei der Versuchsanlage ZENON konnte an den gleichen Tagen wie bei der Anlage
WABAG die vollständige Nitrifikation nicht immer gewährleistet werden. An diesen Ta-
gen muß - bei Nanorg im Ablauf von über 50 mg/l - eine sehr hohe Zulaufkonzentration
vorgelegen haben. Aufgrund der vollständigeren Nitrifikation wurden bei der Anlage
ZENON mit bis zu 36 mg/l etwas höhere Nitratablaufkonzentrationen gemessen als bei
der Anlage WABAG.
Bei der Versuchsanlage BERGHOF war die Nitrifikation noch völlig unzureichend. Nach
Einbau eines Ammoniumsensors (ab 17.12.) zur Steuerung der N/DN verbesserte sich
die Nitrifikation. Bei ausreichender Nitrifikation lagen die maximalen Nitratkonzentratio-
nen zwischen 20 und 25 mg/l.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 163 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
Ammonium im Ablauf Nitrat im Ablauf
WABAG
Abb. 6.129 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (WABAG, VA6)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l]
Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
ZENON
Abb. 6.130 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (ZENON, VA6)
Bei der Versuchsanlage BERGHOF konnte bis zum Versuchstag 40 die intermittieren-
de Nitrifikation und Denitrifikation relativ sicher betrieben werden. Der eingestellte
Grenzwert von 5 mg/l NH4+-N im Ablauf wurde nur vereinzelt überschritten. Es kam a-
ber trotzdem nicht zu einer Erhöhung der Denitrifikationsleistung. Die Nitratablaufkon-
zentrationen lagen mit über 35 mg/l gleich wie bei den anderen Versuchsanlagen. Ab
Versuchstag 40 konnte die Nitrifikation kaum noch sichergestellt werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 164 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60Versuchstage (VA6)
NO
3- -N u
nd N
H4+
-N [m
g/l] Nitrat im Ablauf
Ammonium im Ablauf
BERGHOF
Abb. 6.131 NO3
--N und NH4+-N im Ablauf (BERGHOF, VA6i)
c) PO43--P -Konzentrationen
In Abb. 6.132 sind die PO43--P –Ablaufkonzentrationen der drei Versuchsanlagen auf-
getragen. Im Mittel konnten bei der Anlage BERGHOF mit ca. 3,3 mg/l die höchsten
Konzentrationen gemessen werden im Vergleich zu 3,1 mg/l im Ablauf der Anlage WA-
BAG und 2,6 mg/l im Ablauf der Anlage ZENON.
0
1
2
3
4
5
6
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Versuchstage (VA6)
PO
43--P
im A
blau
f [m
g/l] WABAG
ZENONBERGHOF
Abb. 6.132 PO43--P im Ablauf (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6-1)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 165 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.8.6.3 Stickstoffelimination
Die Stickstoffelimination lag im Intensivuntersuchungsabschnitt 6i zwischen 34 und
90 %. Im Mittel wurde von den Anlagen WABAG und ZENON 70 % und von der Anlage
BERGHOF 61 % erreicht. Bei TKN-Zulaufkonzentrationen im Tagesmittel von 50 mg/l
lagen die mittleren Ablaufkonzentrationen an Nanorg bei 15 bis 18 mg/l.
0
20
40
60
80
100
120
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49Versuchstage (VA6)
Stic
ksto
ffelim
inat
ion
[%]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.133 Stickstoffelimination (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)
6.8.6.4 Schlammbelastung, Überschußschlammproduktion und Schlammalter
Zur Verdeutlichung der Auswertung der Feststoffbilanz wird in der folgenden Abbildung
die Zunahme an Feststoffen im VA6 dargestellt. Abgesehen von einer Ausnahme am
Versuchstag 28 bei der Anlage ZENON verlief der TS-Zuwachs bei allen Anlagen na-
hezu identisch.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Versuchstage (VA6)
TS
-Zuw
achs
[kg]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.134 Summenlinie des Feststoffzuwachses (WABAG, ZENON und BERG-
HOF, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 166 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Die aus der mittleren Feststoffmasse und der CSB-Zulauffracht errechnete
Schlammbelastung ist in der folgenden Abbildung aufgetragen.
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49Versuchstage (VA6)
CS
B-S
chla
mm
bela
stun
g [k
gCS
B/(
kgT
S,d
)]
WABAG ZENON BERGHOF
Abb. 6.135 CSB-Schlammbelastung (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6i)
Aufgrund des niedrigeren Feststoffgehaltes bei der Anlage BERGHOF lagen hier die
Belastungen entsprechend höher. Die mittleren Schlammbelastungen sind in der fol-
genden Tabelle angegeben:
Tab. 6.32 Mittlere Schlammbelastungen im VA6i
WABAG ZENON BERGHOF
CSB-Schlammbelastung in kgCSB/(kgTS⋅d) 0,04 0,04 0,07
TOC-Schlammbelastung in kgTOC/(kgTS⋅d) 0,013 0,012 0,02
Trotz der höheren Belastung bei der Anlage BERGHOF konnten für alle Anlagen ein
identischer Ertragskoeffizient von ca. 0,35 kgTS/kgCSB ermittelt werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 167 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49Versuchstage (VA6)
Ert
rags
koef
fizie
nt
[kgT
S/k
gCS
Bzu
]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.136 Spez. ÜS-Produktion (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6i)
Die mittleren spezifischen Überschußschlammproduktionen sind in der folgenden Ta-
belle zusammengefaßt.
Tab. 6.33 Mittlere spez. Überschußschlammproduktion im VA6i
WABAG ZENON BERGHOF
spez. ÜS-Produktion in kgTS/kgCSBzu 0,33 0,35 0,38
spez. ÜS-Produktion in kgTS/kgTOCzu 1,08 1,14 1,18
Das Schlammalter ist in der folgenden Abbildung angegeben.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60
Versuchstage (VA6)
Sch
lam
mal
ter
[d]
WABAGZENONBERGHOF
Abb. 6.137 Schlammalter (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 168 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Das Schlammalter lag für die Anlagen WABAG und ZENON zwischen 70 und 90 Ta-
gen. Bei der Anlage BERGHOF konstant bei ca. 40 Tagen. Aufgrund der identischen
Überschußschlammproduktion bei den drei Versuchsanlagen kann geschlossen wer-
den, daß das Schlammalter (im untersuchten Bereich zwischen 40 und 100 Tagen) nur
eine untergeordnete Bedeutung für die Überschußschlammproduktion hat.
6.8.7 Zusammenfassung VA6
Bei spezifischen Belastungen von 0,4 bis 0,7 kgCSB/(kgTS⋅d) wurden im VA6 spezifi-
sche Überschußschlammproduktionen von 0,3 kgTS/kgCSBzu erzielt. Diese sind nur
halb so hoch wie im VA5. Bezogen auf die behandelte Abwassermenge wurde in bei-
den Versuchsabschnitten mit 0,1 kgTS/m³ die gleiche Masse an Überschußschlamm
produziert.
Die Stickstoffelimination brachte in diesem Versuchsabschnitt keine neuen Erkenntnis-
se und wird nicht weiter besprochen.
Die hydraulische Leistung der Anlagen WABAG und ZENON war in diesem Versuchs-
abschnitt konstant. Bei mittleren Flüssen zwischen 12 und 15 l/(m2⋅h) wurde die Per-
meabilität nicht erniedrigt. Bei der Anlage WABAG wurde ein konstanter Wert von
225 l/(m2⋅h⋅bar) und bei der Anlage ZENON ein Wert von 100 l/(m2⋅h) gemessen.
Bei der Anlage BERGHOF blieb der Fluß mit maximal ca. 40 l/(m2⋅h) zu niedrig. Auch
durch eine Zusatzbelüftung der Membranmodule konnte keine wesentliche Flußsteige-
rung erzielt werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 169 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.9 Sonderuntersuchungen
6.9.1 Mikrobiologische Parameter
Zur Überprüfung der Keimrückhaltung durch die Membranen wurden im Ablauf der
Versuchsanlagen Stichproben gezogen und auf mikrobiologischen Parameter entspre-
chend der EU-Badegewässerrichtlinie untersucht. Folgende Parameter wurden in
wechselnden Zeitabständen im Ablauf der Anlagen untersucht (Bestimmungsmethode
nach Trinkwasserverordnung):
• Gesamtcoliforme Bakterien (in 100 ml)
• Escherichia coli (in 100 ml)
• Salmonellen (in 1000 ml)
• Fäkalstreptokokken (in 100 ml)
Zusätzlich wurden im letzten Versuchsabschnitt an drei Tagen der Zulauf und die Ab-
läufe der drei Versuchsanlagen auf Viren folgenden Typs untersucht:
• Coliphagen (in 1 ml); Plaque-Assay mit E.coli ATCC 13706 als Wirtsorganismus
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengefaßt. Zusätzlich sind Leit-
und Grenzwerte der EU-Badegewässerrichtlinie aufgeführt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 170 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.34 Zusammenstellung der mikrobiologischen Parameter im Ablauf der Versuchsanlagen
Gesamtcolif. Bakterien
Escherichia coli Fäkal-streptokokken
Salmonellen
/100 ml (MPN und MF)
/100 ml (MPN und MF)
/100 ml (MF) /1000 ml
EU-Leitwert 500 100 100 -
EU-Grenzwert 10.000 2.000 - 0
VA/Tag (Datum) W Z W Z W Z W Z
2/24 (18.6.98) <30 90 <30 <30 0 0 0 0
2/45 (10.7.97) 0 24 0 0 0 0 0 0
3/33 (13.8.97) 0 11000 0 200 0 0 0 0
3/62 (11.9.97) <30 1500 <30 1500 0 11 0 0
3/97 (16.10.97) 0 950 0 250 0 6 0 0
W Z B W Z B W Z B W Z B
3/110 (29.10.97) 7 450 90 0 450 4 0 28 0 0 0 0
4/6 (11.11.97) 13 150 950 0 17 40 0 7 3 0 0 0
4/22 (27.11.97) 0 70 40 0 0 0 0 0 0 0 0 0
4/43 (18.12.97) <30 40 <30 <30 <30 <30 0 5 0 0 0 0
5/28 (4.2.98) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
5/54 (2.3.98) 9 40 950 0 40 450 0 0 1 0 0 0
5/85 (2.4.98) 0 0 25 0 0 0 0 0 1 0 0 0
6/30 (6.5.98) 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
6/43 (19.5.98) 0 3 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0
6/50 (26.5.98) 0 3 40 0 0 3 0 0 0 0 0 0
Bei der Versuchsanlage WABAG konnten durchgehend ausgezeichnete Werte
hinsichtlich aller mikrobiologischen Parameter erzielt werden. Alle untersuchten Keime
waren unterhalb der Nachweisgrenze.
Bei der Versuchsanlage ZENON wurden zwischenzeitlich erhöhte Keimkonzentrationen
im Ablauf gemessen. So wurden in der Probe vom Anfang August (VA3) 11000 ge-
samtcoliforme Bakterien in 100 ml nachgewiesen. Diese erhöhten Keimkonzentrationen
können durch Undichtigkeiten in der permeatseitigen Verschraubung der neuen Memb-
ranmodule (Tausch Anfang August) erklärt werden. Im weiteren Verlauf der Untersu-
chungen verringerten sich die Keimkonzentrationen im Ablauf kontinuierlich und lagen
gegen Ende der Versuche an oder unter der Nachweisgrenze.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 171 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Auch im Ablauf der Versuchsanlage BERGHOF kam es durch Umbauarbeiten an den
Modulen zu erhöhten Keimkonzentrationen im Ablauf. Anfang November 97 und auch
Anfang März 98 wurden knapp 1000 gesamtcoliforme Bakterien je 100 ml nachgewie-
sen. Mit zunehmender Versuchsdauer und Reduzierung der Umbauarbeiten fielen auch
bei der Anlage BERGHOF die Keimkonzentrationen im Ablauf unter die Nachweisgren-
ze.
In der folgenden Abbildung ist die Konzentration an gesamtcoliformen Keimen im Ab-
lauf der drei Versuchsanlagen über den gesamten Untersuchungszeitraum aufgetra-
gen. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Grenzwert der EU-Badegewässerrichtlinie bei
10.000 gesamtcoliforme Bakterien je 100 ml liegt.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
02.0
4.97
27.0
4.97
22.0
5.97
16.0
6.97
11.0
7.97
05.0
8.97
30.0
8.97
24.0
9.97
19.1
0.97
13.1
1.97
08.1
2.97
02.0
1.98
27.0
1.98
21.0
2.98
18.0
3.98
12.0
4.98
07.0
5.98
01.0
6.98
Ges
amtc
olifo
rme
Bak
terie
n [je
100
ml]
WABAGZENONBERGHOF
11000
EU-Leitwert
Abb. 6.138 Gesamtcoliforme Bakterien im Ablauf (WABAG, ZENON und BERG-
HOF)
In Tab. 6.35 ist die Coliphagenkonzentration im Zu- und Ablauf der drei Versuchsanla-
gen dargestellt.
Tab. 6.35 Coliphagenkonzentration je Milliliter im Zu- und Ablauf
Zulauf Ablauf
VA/Tag und Datum WABAG ZENON BERGHOF
6/42 (18.5.98) 5100 < 1 < 1 < 1
6/43 (19.5.98) 500 < 1 < 1 < 1
6/50 (26.5.98) 200 < 1 < 1 < 1
Bei allen drei Versuchsanlagen lag die Coliphagenkonzentration im Ablauf unter der
Nachweisgrenze von 1 je ml.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 172 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.9.2 Stromverbrauch
6.9.2.1 Vorbemerkungen
Die Grundlagen zur Ermittlung des Stromverbrauchs wurden ausführlich im Zwischen-
bericht 4 dargestellt. Hier wird nochmals darauf verwiesen, daß bei der Betrachtung des
spezifischen Energieeinsatzes bei den Versuchsanlagen nur der Stromverbrauch für
die Belüftung der Biologie und der Membranen sowie für die Permeatpumpe betrachtet
wird. Alle anderen Stromverbraucher bei den Versuchsanlagen (Zufuhrpumpen, Rezir-
kulationspumpen, Umwälzpumpen in Denitrifikation, Schaltschrank usw.) sind hier nicht
mit erfaßt worden. Diese Stromverbraucher sind bei der großtechnischen Planung
selbstverständlich noch zu dem hier ermittelten Stromverbrauch hinzu zu rechnen.
6.9.2.2 Versuchsabschnitt 3
Bis zum Ende von Versuchsabschnitt 3 war die Firma WABAG trotz wiederholter Auf-
forderung nicht dazu zu bewegen, einen separaten Stromzähler für das Gebläse einzu-
bauen. Der Stromverbrauch für die Anlage ZENON lag im VA3 - bei noch uneffektiven
Gebläsen - bei 2,5 kWh/m³. Bei der Anlage BERGHOF wurden im VA3 3,5 kWh/m³ er-
mittelt.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
80 90 100 110 120Versuchstage (VA3)
Ene
rgie
eins
atz
[kW
h/m
³] ZENON
BERGHOF
Abb. 6.139 Spezifischer Energieeinsatz (ZENON und BERGHOF, VA3)
6.9.2.3 Versuchsabschnitt 4
Im VA4 wurde ein Stromzähler für das Gebläse bei der Anlage WABAG eingebaut und
am Versuchstag 12 die Gebläse bei der Anlage ZENON ausgetauscht. Hierdurch konn-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 173 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
te bei der Anlage ZENON der Stromverbrauch von 2,5 kWh/m³ auf weniger als
1,5 kWh/m³ reduziert werden.
Bei der Versuchsanlage WABAG wurde gleichzeitig mit dem Einbau des neuen Strom-
zählers für das Gebläse auch die intermittierende Belüftung in Betrieb genommen. Bei
zu hohem Sauerstoffgehalt in der Biologie und niedrigem Füllstand schaltete sich das
Gebläse und die Permeatpumpe für 10 min ab. Das in der Pause zwischengespeicher-
te Wasservolumen wurde in der anschließenden Filtrationszeit durch Erhöhung des
Flusses wieder abgearbeitet. Aufgrund der fehlenden Stromzählung vor dem Umbau
kann die Einsparung durch diese Umbaumaßnahme nicht angegeben werden, dürfte
aber in der Größenordnung von 1 kWh/m³ liegen. Bei dieser positiven Auswirkung auf
die Energiebilanz darf die negative Auswirkung auf die Membranleistung nicht außer
Acht gelassen werden. Wie ausführlich beim Versuchsabschnitt 4 beschrieben, wird
durch ein reduziertes Luft/Fluß-Verhältnis die Permeabilität nachhaltig beeinträchtigt.
Der mittlere Stromverbrauch im VA4 betrug für die Anlage WABAG 1,3 kWh/m³, für die
Anlage ZENON 1,4 kWh/m³ und für die Anlage BERGHOF 2,9 kWh/m³ (Abb. 6.141).
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Versuchstage (VA4)
Ene
rgie
eins
atz
[kW
h/m
³] WABAG ZENON BERGHOF
Zenon:neue Gebläse
Abb. 6.140 Spezifischer Energieeinsatz (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA4)
6.9.2.4 Versuchsabschnitt 5
Aufgrund der Untersuchung des Schlammzuwachses und der Steigerung des Fest-
stoffgehaltes kann dieser Versuchsabschnitt nur eingeschränkt zur Beurteilung des
spezifischen Energieeinsatzes herangezogen werden. Es konnten aber wichtige Zu-
sammenhänge zwischen Stromverbrauch und Feststoffgehalt gewonnen werden, die
auch durch die Sauerstoffeintragsversuche bestätigt wurden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 174 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Versuchstage (VA5)
Ene
rgie
eins
atz
[kW
h/m
³]
WABAGZENONBERGHOF
hoheTS-Gehalte bei WABAG und
ZENON
Abb. 6.141 Spezifischer Energieeinsatz (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA5)
Im VA5 wurde der Feststoffgehalt in den Anlagen WABAG und ZENON bis zum Ver-
suchstag 40 auf über 25 g/l erhöht. Parallel hierzu erhöhte sich auch der spezifische
Stromverbrauch für diese Anlagen auf über 2,5 kWh/m³. Im weiteren Verlauf nahm bei
zurückgehendem TS-Gehalt der Stromverbrauch auf Werte um die 1,6 kWh/m³ für die
Anlage WABAG und 1,4 kWh/m³ für die Anlage ZENON ab.
Bei der Versuchsablage BERGHOF erhöhte sich der mittlere Stromverbrauch infolge
nachlassender Membranleistung auf 3,5 kWh/m³.
6.9.2.5 Versuchsabschnitt 6
Wie schon der VA5 diente auch dieser Versuchsabschnitt nicht der Optimierung des
Energieverbrauchs sondern der Minimierung der Überschußschlammproduktion.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Versuchstage (VA6)
Ene
rgie
eins
atz
[kW
h/m
³]
WABAG
ZENON
BERGHOF
Abb. 6.142 Spezifischer Energieeinsatz (WABAG, ZENON und BERGHOF, VA6)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 175 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Im Versuchsabschnitt 6 erniedrigte sich bei der Anlage BERGHOF infolge einer Memb-
ranreinigung der spezifische Energieeinsatz ab Versuchstag 32 von 3,3 auf
2,5 kWh/m³. Im weiteren Versuchsverlauf erhöhte sich der Stromverbrauch wieder auf
3 kWh/m³. Hierbei ist zu beachten, daß der Stromverbrauch für die Belüftung der Mem-
branmodule mit Druckluft hier nicht mit enthalten ist. Der gesamte Stromverbrauch für
die Membranfiltration liegt bei der Anlage BERGHOF insgesamt höher.
Bei den Anlagen WABAG und ZENON erhöhte sich mit zunehmender Versuchsdauer
(und zunehmendem TS-Gehalt) der Stromverbrauch von ca. 1,6 kWh/m3 auf Werte um
2,5 kWh/m³ für die Anlage ZENON und 2 kWh/m³ für die Anlage WABAG (Abb. 6.142).
6.9.2.6 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Energieeinsatz
Bedingt durch den schlechten Sauerstoffübergang bei hohen Feststoffgehalten wird für
einen konstanten Sauerstoffgehalt in der Biologie eine höhere Luftmenge benötigt.
Hierdurch erhöht sich die Stromaufnahme der Gebläse und der spezifische Strom-
verbrauch.
Der Zusammenhang zwischen Stromverbrauch und Feststoffgehalt kann im Versuchs-
abschnitt 5 sehr gut dargestellt werden. Zur Verdeutlichung wird hier nochmals der
Feststoffgehalt bei den Anlagen WABAG und ZENON dargestellt.
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Versuchstage (VA5)
Fes
tsto
ffgeh
alt [
g/l]
WABAGZENON
Abb. 6.143 Feststoffgehalt (WABAG und ZENON, VA5)
Die Verknüpfung der Wertepaare Stromverbrauch und Feststoffgehalt liefert den in fol-
gender Abbildung dargestellten Zusammenhang. Mit Erhöhung des Feststoffgehaltes
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 176 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
von ca. 12 g/l (WABAG) bzw. 15 g/l (ZENON) auf 25 g/l verdreifacht sich der Strom-
verbrauch von ca. 1,0 kWh/m³ auf 3,0 kWh/m³.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
Spe
z. E
nerg
ieei
nsat
z [k
Wh/
m³]
WABAG
ZENON
Abb. 6.144 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und spez. Stromverbrauch
(WABAG und ZENON, VA5)
6.9.3 Dichte- und Viskositätsmessungen
6.9.3.1 Dichte
Im Zusammenhang mit den Viskositätsmessungen wurde von den Schlämmen der
Versuchsanlagen auch die Dichte durch Auslitern und Abwiegen bestimmt. In der fol-
genden Abbildung sind die Ergebnisse zusammengestellt. Die Werte sind auf eine
Temperatur von 20 °C genormt. Ausgehend von der Dichte von Wasser (bei 20 °C) mit
998,2 g/l steigt die Dichte von belebtem Schlamm mit einem Feststoffgehalt von 30 g/l
auf Werte um 1040 g/l. Dies entspricht einer Zunahme um 4,2 %.
990
1000
1010
1020
1030
1040
1050
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
Dic
hte
[g/l]
y = 0,0388x2 + 0,3173x + 998,2
Abb. 6.145 Darstellung der Dichte in Abhängigkeit des Feststoffgehaltes (gemittelte
Meßergebnisse bei allen Versuchsanlagen, T = 20 °C)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 177 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
6.9.3.2 Viskositätsmessungen
Im Zusammenhang mit dem Sauerstoffeintragsversuchen am 3.6.98 wurden an den
Versuchsanlagen Viskositätsuntersuchungen mit einem Rotationsviskosimeter (Bohlin
Visko 88 BV, mit Doppelspalt-Meßsystem) durchgeführt. Die Messungen erfolgten in
Anlehnung an DIN 53019-T01-80.
Ohne die Viskosität näher zu beschreiben, wird darauf hingewiesen, daß es sich beim
Stoffgemisch „belebter Schlamm“ nicht um eine newtonsche Flüssigkeit handelt. Dem-
zufolge ändert sich die Viskosität mit der aufgebrachten Scherrate. Außerdem ist das
System noch thixotrop, zeigt also eine mit zunehmender Zeitdauer der Belastung
(Scherbeanspruchung) abnehmende Viskosität.
Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise den Zusammenhang zwischen Scherrate,
Viskosität und Schubspannung. Die nach DIN anzugebende Viskosität (auch als Cas-
son-Viskosität bezeichnet) ist die Viskosität bei unendlicher Scherrate. Wie deutlich in
der Abbildung zu sehen ist, vermindert sich die Viskosität mit zunehmender Scherrate
erheblich. Welche Viskosität nun für die vorhandenen Systeme mit der jeweiligen Tur-
bulenz nun tatsächlich anzugeben ist, kann im Rahmen dieses Forschungsvorhabens
nicht beantwortet werden.
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Scherrate [1/s]
Sch
ubsp
annu
ng [P
a]
0
50
100
150
200
250V
isko
sitä
t [m
Pa
s]
Schubspannung
Regression nach Casson
Viskosität
scheinbare Viskosität
Schlamm Anlage W ABAGTS: 24.96 g/lTemp. 23 °C
Abb. 6.146 Beispiel einer Viskositätsmessung
In der folgenden Abbildung ist der Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Vis-
kosität für verschiedene Scherraten angegeben. Für die Casson-Viskosität wird eine
unendliche Scherrate angesetzt. Die Versuche wurden bei einer einheitlichen Tempera-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 178 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
tur von 23 °C durchgeführt. Die Viskosität von Wasser beträgt bei dieser Temperatur
ca. 1 mPa⋅s.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 5 10 15 20Feststoffgehalt [g/l]
Vis
kosi
tät [
mP
a s]
Casson-Viskosität[mPa s]
Viskosität bei 1200 /s[mPa s]
Viskosität bei 223 /s[mPa s]
?
BERGHOF
Abb. 6.147 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskositäten (belebter Schlamm aus Anlage BERGHOF, T = 23 °C)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
Vis
kosi
tät [
mP
a s]
Casson-Viskosität [mPa s]Viskosität bei 1200 /s [mPa s]Viskosität bei 223 /s [mPa s]
WABAG
Abb. 6.148 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskositäten (belebter
Schlamm aus Anlage WABAG, T = 23 °C)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 179 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
Vis
kosi
tät [
mP
as] Casson-Viskosität [mPa s]
Viskosität bei 1200 /s [mPa s]Viskosität bei 223 /s [mPa s]
ZENON
Abb. 6.149 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Viskositäten (belebter
Schlamm aus Anlage ZENON, T = 23 °C)
Bei allen Schlämmen ist mit zunehmendem Feststoffgehalt eine stark zunehmende
Viskosität (bei Scherraten von 223 /s) zu verzeichnen. Bei Feststoffgehalten von 25 g/l
wurden bei Scherraten von 223 /s bis zu 40 mPa⋅s gemessen. Dies ist 40 mal höher als
die Viskosität von Wasser bei dieser Temperatur.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 10 20 30 40
Temperatur [°C]
Vis
kosi
tät [
mP
a s]
Casson-Viskosität [mPa s]Viskosität bei 1200 /s [mPa s]Viskosität bei 223 /s [mPa s]
WABAG, TS = 25 g/l, GV = 70 %
Abb. 6.150 Zusammenhang zwischen Temperatur und Viskosität (belebter
Schlamm aus Anlage WABAG, TS = 25 g/l, GV = 70 %)
Die Abnahme der Viskosität des Schlammes ist wesentlich geringer ausgeprägt als die
von reinem Wasser. Bei einer Temperaturerhöhung von 10 auf 37 °C wird für Wasser
mit einer Viskositätserniedrigung von 43 % gerechnet. Bei dem hier untersuchten be-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 180 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
lebten Schlamm stellte sich unabhängig von der Scherrate nur eine Viskositätsabnah-
me um ca. 18 % ein. Die Ursache hierfür kann nicht beantwortet werden.
6.9.4 Sauerstoffeintragsversuche
6.9.4.1 Vorgehensweise zur Ermittlung der Sauerstoffzufuhr
Die Vorgehensweise zur Ermittlung der Sauerstoffzufuhr erfolgte gemäß ATV-Merkblatt
M209. Auf eine Beschreibung der Versuchsdurchführung wird verzichtet und nur die
wesentlichen Ergebnisse werden angegeben.
Folgende Eintragsversuche wurden durchgeführt:
Tab. 6.36 Zusammenstellung der Eintragsversuche
Datum Anlagen Bemerkungen
20.1.98 WABAG, BERGHOF, ZENON Betriebsbedingungen
10.2.98 WABAG, BERGHOF, ZENON Betriebsbedingungen
7.4.98 BERGHOF verschiedene Belüftungsvarianten
3.6.98 WABAG, ZENON Verdünnungsreihe mit Reinwasser
Die Verdünnungsreihen am 3.6.98 mit den Anlagen WABAG und ZENON wurden mit
folgenden Feststoffkonzentrationen und Atmungsgeschwindigkeiten durchgeführt (Tab.
6.37). Bei der Atmungsgeschwindigkeit ist zu beachten, daß der Zulauf zu den Anlagen
24 Stunden vor Versuchsbeginn abgestellt wurde um nur noch eine konstante Grund-
atmung bei den Versuchen einzustellen.
Während bei der Anlage ZENON die Atmungsgeschwindigkeit bezogen auf den organi-
schen Feststoffgehalt erwartungsgemäß konstant verlief (Versuch ZENON_0 bis ZE-
NON_3), zeigte sich bei der Anlage WABAG eine starke Abhängigkeit der Atmungsge-
schwindigkeit vom Feststoffgehalt. Eine Erklärung hierfür kann nicht gegeben werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 181 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Tab. 6.37 Zusammenstellung wichtiger Kenngrößen bei den Eintragsversuchen
Datum Anlage und Versuch
Festsstoff-gehalt
Glüh-verlust
Atmungsgeschw. (20°C)
Atmungsgeschw. (20°C)
g/l % mgO2/(l⋅h) mgO2/(goTS⋅h)
11.2.98 WABAG 20,6 66,2 11,2 0,8
11.2.98 ZENON 23,4 61,1 31,1 2,2
11.2.98 BERGHOF 15,2 66,2 24,0 2,4
20.1.98 WABAG 15,0 64,5 18,2 1,9
20.1.98 ZENON 14,5 67,8 23,0 2,3
20.1.98 BERGHOF 15,1 66,0 16,0 1,6
3.6.98 WABAG_0 24,96 69,9 12,8 0,7
3.6.98 WABAG_1 17,42 72,6 13,9 1,1
3.6.98 WABAG_2 11,2 72,3 11,0 1,4
3.6.98 ZENON_0 24,02 70,8 25,4 1,5
3.6.98 ZENON_1 19,5 71,3 18,4 1,3
3.6.98 ZENON_2 13,78 72,3 13,8 1,4
3.6.98 ZENON_3 8,98 71,5 9,0 1,4
6.9.4.2 Auswertung der Eintragsversuche
Zum Vergleich der Sauerstoffeintragsleistung der Versuchsanlage WABAG und ZE-
NON mit konventionellen Belüftungssystemen in Belebungsanlagen mit niedriger Fest-
stoffkonzentration wird die spezifische Sauerstoffzufuhr aOCL,h [gO2/(Nm³⋅mSteighöhe)]
und die spez. Sauerstoffausnutzung OAh [%/m] gewählt. Die Erfahrungswerte für Rein-
wasser- und Betriebsbedingungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt
(Pöpel und Wagner, 1989):
Tab. 6.38 Zusammenstellung von Erfahrungswerten bei konventionellen Bele-bungsanlagen
Belüftungssystem Reinwasserbedingungen Betriebsbedingungen
OAh [%/m]
OC [kg/kWh]
αOAh [%/m]
αOC [kg/kWh]
Band-(Linien-)belüftung 3,1 1,7 1,9 1,0
Flächendeckende Belüftung 4,3 2,4 2,6 1,4
Oberflächenbelüftung (Kreisel) 1,3 1,15
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 182 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Hierbei gilt anzumerken, daß nur die mittleren Werte angesetzt worden sind. Neuere
Belüftungsanlagen können in den Ertragswerten noch deutlich höher liegen.
Eine gute Übereinstimmung mit den angegebenen Bemessungswerten ergibt sich für
die spez. Sauerstoffausnutzung OA. Im Falle der Versuchsanlage ZENON, bei Betrieb
nur mit der flächendeckenden Belüftung für die Biologie, stellten sich unter Reinwas-
serbedingungen eine Sauerstoffausnutzung von 4,2 %/m ein. Die paßt sehr gut mit den
angegebenen 4,3 überein. Die spez. Sauerstoffausnutzung der Membranbelüftung liegt
mit 1,5 %/m erwartungsgemäß sehr niedrig, stimmen aber mit Erfahrungswerten für
grobblasige Belüftungssysteme überein (Imhoff, 1990).
Für die Anlage WABAG ergab sich unter Reinwasserbedingungen eine Sauerstoffaus-
nutzung von ca. 3,0 %/m. Damit stimmt dieser Wert für eine Band- oder Linienbelüftung
überein.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
spez
. Sau
erst
offa
usnu
tzun
g [%
/m]
WABAG
ZENON
ZENON: nur Biologieluft
ZENON: nur Membranluft
Abb. 6.151 Zusammenhang zwischen spez. Sauerstoffausnutzung und Feststoff-
gehalt (Anlagen WABAG und ZENON)
Mit zunehmendem Feststoffgehalt sinken die gemessenen Werte für die Sauerstoff-
ausnutzung drastisch und erreichen bei Konzentrationen von 25 g/l nur noch ca.
0,4 %/m und damit lediglich ca. 13 % der Ausgangswerte.
Die Auswertung des Sauerstoffertrages zeigt die folgende Abbildung. Hierbei ist aber,
wie schon wiederholt erwähnt, anzumerken, daß aufgrund der nicht optimalen Ausle-
gung der Gebläse für die Versuchsanlagen diese Ergebnisse nur als Anhaltswerte zu
verwenden sind. Durch Optimierung der Gebläse und der Leitungsführung sind sicher-
lich um bis zu 20 % höhere Werte zu erzielen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 183 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
standen hier aber nicht die absoluten Werte, sondern nur die prozentuale Abnahme mit
zunehmendem Feststoffgehalt.
Unter Reinwasserbedingungen erreichte die flächendeckende Belüftung (Biologie) bei
der Versuchsanlage ZENON einen Wert von 1,65 kgO2/kWh. Dies liegt deutlich unter
den mittleren Erfahrungswerten von 2,4 kg/kWh. Ursache für die Abweichung ist sicher-
lich die nicht optimale Auslegung der Gebläse und der erhöhte Reibungsverlust in den
Luftleitungen aufgrund der verwinkelten und langen Leitungsführung im Container die-
ser Versuchsanlage. Die Reinwasserergebnisse bei der Anlage WABAG liegen mit ca.
0,6 kg/kWh ebenfalls deutlich unter dem Erfahrungswert von 1,7 kg/kWh. Ursache hier-
für ist wiederum der niedrige Wirkungsgrad des Gebläses.
Für die Anlage BERGHOF wurden nur zwei Versuche mit unterschiedlichem Feststoff-
gehalt durchgeführt, Reinwasserversuche fehlen noch. Der Sauerstoffertrag der Ober-
flächenbelüftung liegt, bezogen auf den gesamten Energieeinsatz, bei Werten kleiner
0,2 kg/kWh.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
Sau
erst
offe
rtra
g [k
gO2/
kWh]
WABAG
ZENONBERGHOF
ZENON: nur Biologieluft
ZENON: nur Membranluft
Abb. 6.152 Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und Sauerstoffertrag (Anla-
gen WABAG, ZENON und BERGHOF)
Den wesentlichen Zusammenhang zwischen Feststoffgehalt und α-Wert bei den Ver-
suchsanlagen in Immenstaad zeigt Abb. 6.152. Ausgehend von Feststoffkonzentratio-
nen im Belebungsbecken von ca. 25 g/l wurde bei beiden Anlagen schrittweise
Schlamm abgelassen und mit Permeat aufgefüllt. Bei jeder Verdünnungsstufe wurde
die Sauerstoffzufuhr ermittelt. Wird der Sauerstoffeintrag mit Reinwasser (Leitungswas-
ser) zu 1 gesetzt, verringert sich der Eintrag mit zunehmendem Feststoffgehalt auf Wer-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 184 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
te unter 0,2 für Feststoffgehalte über 20 g/l. Die Tendenz ist hierbei für alle Versuchsan-
lagen gleich.
Ein Vergleichsversuch bei der Anlage WABAG sowohl mit Filtrat als auch mit Leitungs-
wasser bracht keine grundlegenden Unterschiede im Sauerstoffeintrag.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 5 10 15 20 25 30Feststoffgehalt [g/l]
α-W
ert [
-]
WABAGZENON
Anlage WABAG:Qluft,ges = 60 Nm³/hAnlage ZENONQLuft, Biologie = 57 Nm³/hQLuft, Membranen = 90 m³/h
Versuch mit Reinwasser (W)
Versuch mit Filtrat (W)
Abb. 6.153 Zusammenhang zwischen Sauerstoffeintrag und α-Wert (Versuchsan-lagen Immenstaad)
Dieser Zusammenhang zwischen Sauerstoffeintrag und Feststoffgehalt ist von elemen-
tarer Bedeutung für die Auslegung von Membranbelebungsanlagen. Die Verminderung
des Eintragsfaktors ist immer mit einer Erhöhung der Luftzufuhr und des Energie-
verbrauchs gleich zu setzen. Wird für konventionelle Anlegen mit einem Feststoffgehalt
von 4 g/l ein α-Wert von 0,7 angesetzt, bedeutet die Erhöhung des Feststoffgehaltes
von 4 auf 20 g/l mit einer Verminderung des α-Wertes auf 0,18 - bei sonst gleichen
Randbedingungen - eine Erhöhung der Luftzufuhr und damit des Energieeinsatzes für
die Belüftung um 400 %.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 185 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
7 Schlußbetrachtungen
7.1 Grundsätzliches
Die Untersuchungsergebnisse resultieren aus dem 15-monatigen Betrieb der Ver-
suchsanlagen auf der kommunalen Kläranlage Immenstaad des Abwasserzweckver-
bandes Lipbach-Bodensee. Vor einer Übertragung der Ergebnisse auf vergleichbare
Anwendungsfälle sind die Zulaufverhältnisse und die Abwasserzusammensetzung im
konkreten Fall zu überprüfen.
Wie sich in den Untersuchungen herausstellte, unterscheidet sich der Stoffumsatz in
Membranbelebungsanlagen hinsichtlich Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikati-
on nicht grundsätzlich vom Stoffumsatz bei konventionellen Belebungsanlagen. In den
folgenden Schlußbetrachtungen wird nur auf die Punkte eingegangen, die speziell bei
Membranbelebungsanlagen zu betrachten sind.
7.2 Zuverlässigkeit der Versuchsanlagen
Der Betrieb der Versuchsanlagen WABAG und ZENON war weitgehend störungsfrei
und zuverlässig. Der Anlagenbetrieb erfolgte automatisiert. Unterbrechungen des konti-
nuierlichen Anlagenbetriebes wurden hauptsächlich durch externe Probleme, wie de-
fekte Zuleitungspumpen, Ausfall von Sicherungen durch schadhafte Stromleitungen
usw. verursacht. Die Zusammensetzung des zulaufenden Abwassers verursachte bei
diesen Anlagen keine Schwierigkeiten bei den Membraneinheiten. Ein kurzfristiger Ver-
suchsbetrieb mit Rohabwasser scheiterte an verstopften Zufuhr- und Umwälzpumpen.
Die Funktionsfähigkeit der getauchten Membraneinheiten (Platten- und Hohlfasermodu-
le) wurde dadurch aber nicht beeinträchtigt.
Die Versuchsanlage BERGHOF konnte aufgrund der faserigen Anteile im Zulauf nicht
kontinuierlich betrieben werden. Das installierte Sieb mit einer Maschenweite von 3 mm
konnte die Fasern nicht zurückhalten und der Zulaufbereich der Rohrmodule verstopfte
in regelmäßigen Zeitabständen. Diese Verstopfungen mußten durch manuelles Rück-
spülen entfernt werden. Zusätzlich wurden die Rohrmodule in unregelmäßigen Zeitin-
tervallen ausgebaut und chemisch gereinigt. Rohrmembranen erwiesen sich bei der
gegebenen Zulaufzusammensetzung als nicht geeignet.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 186 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Das Plattenmodul in der Anlage WABAG wurde innerhalb des gesamten Versuchszeit-
raumes von 475 Tagen (einschließlich Einfahrphase) nach 330 Tagen erstmalig che-
misch gereinigt. Die Reinigung erfolgte in-situ, ohne Ausbau des Membranmoduls.
Die Hohlfasermodule (Typ ZW500) in der Anlage ZENON wurden über einen Zeitraum
von 340 Tagen betrieben. Eine chemische Reinigung erfolgte nach 160 Betriebstagen.
Die Reinigung erfolgte ebenfalls in-situ.
7.3 Hydraulische Leistung der Membraneinheiten
Wie sich im Versuchsbetrieb herausstellte, stehen sich die Forderungen nach einer
möglichst hohen hydraulischen Leistung und einem konstanten Betriebsverhalten dia-
metral entgegen. Einerseits sind die Investitionskosten zu reduzieren und von daher
Membranen hoch zu belasten, andererseits dürfen die Reinigungsintervalle der Memb-
raneinheiten nicht zu kurz werden.
In der mehr als einjährigen Untersuchungsperiode zeigte sich, daß der entscheidende
Bemessungsfall für den Einsatz der Membrantechnologie in der kommunalen Abwas-
serreinigung von ausgiebigen Niederschlägen in der kalten Jahreszeit ausgeht. Hohe
hydraulische Belastungen bei niedrigen Temperaturen führen zu einer nachhaltigen
Beeinträchtigung der Membranleistung. Bei einer Abwassertemperatur von 10 °C soll-
ten folgende maximalen Flüsse nicht überschritten werden:
Tab. 7.1 Bemessungsflüsse bei 10°C in l/(m²⋅h)
Anlage maximaler Fluß (Mischwasser) Trockenwetterfluß
WABAG 30 17
ZENON 24 13
BERGHOF 45 25
Bei diesen Flüssen ist mit einer ausreichend konstanten Membranleistung für eine
Dauer von mindestens 6 bis 12 Monaten zu rechnen.
Die Reinigungszyklen der Membranen sind so zu legen, daß mit Beginn der kalten Jah-
reszeit die maximale hydraulische Leistung zur Verfügung steht. Eine sich innerhalb der
Wintermonate einstellende Verringerung der Permeabilität kann in der Sommermona-
ten durch höhere Abwassertemperaturen kompensiert werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 187 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
7.4 Wichtige Betriebskennwerte
Die Abwassertemperatur in den Versuchsanlagen variierte im gesamten Untersu-
chungszeitraum zwischen 8 und 23 °C. Der pH-Wert lag üblicherweise bei 7,5. In Ab-
hängigkeit des jeweiligen Untersuchungsschwerpunktes wurden Feststoffgehalte zwi-
schen 10 und 25 g/l eingestellt. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Fluß und
Feststoffgehalt konnte nicht gefunden werden. Der organische Anteil der Feststoffe lag
durchschnittlich bei ca. 70 %. Im Versuchsabschnitt mit Simultanfällung reduzierte sich
der Glühverlust auf ca. 60 %.
7.5 Rückhalt von Feststoffen
Der Rückhalt von Feststoffen war über den gesamten Versuchszeitraum bei allen Ver-
suchsanlagen vollständig. Im Ablauf konnten keine abfiltrierbaren Feststoffe nachge-
wiesen werden. Eine Beschädigung der Membran war bei keiner Versuchsanlage zu
verzeichnen.
7.6 Kohlenstoffelimination
Die mittlere CSB-Elimination betrug bei allen Versuchsanlagen zwischen 90 und 95 %.
Die aus Tagesmischproben ermittelten CSB-Werte im Ablauf der Versuchsanlagen la-
gen - in Abhängigkeit der Zulaufwerte - zwischen 10 und 20 mg/l. In Stichproben konn-
ten Werte bis maximal 30 mg/l gemessen werden. Die DOC-Konzentrationen im Ablauf
variierten zwischen 2 und 10 mg/l. Die Unterschiede in den Ablaufkonzentrationen der
einzelnen Anlagen waren minimal. Ein Zusammenhang zwischen Membranmaterial
bzw. Porengröße und DOC - Ablaufkonzentrationen konnte nicht gefunden werden. Die
Kohlenstoffelimination kann bei allen Anlagen als vollständig bezeichnet werden.
7.7 Stickstoffelimination
Bei der Betrachtung der Stickstoffelimination ist die Zusammensetzung des zufließen-
den Abwassers zu berücksichtigen. Das für die Denitrifikationsleistung maßgebende
TKN/BSB5-Verhältnis kann mit 0,4 als äußerst ungünstig bezeichnet werden. Unab-
hängig von der Wahl einer speziellen Anlagentechnik ist bei mittleren TKN-
Zulaufkonzentrationen von 50 mg/l mit dieser Abwasserzusammensetzung der Über-
wachungswert von 18 mg/l Nanorg nicht einzuhalten. In den Untersuchungen zeigte sich
außerdem, daß alleine mit der Bewirtschaftung bzw. getrennten Behandlung der stick-
stoffhaltigen Abwässer aus der Schlammbehandlung der Überwachungswert auch ü-
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 188 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
berschritten wird. Die positive Kombinationswirkung einer verkleinerter Vorklärung (we-
niger Entnahme von organischem Substrat) und einer getrennten Schlammwasserbe-
handlung konnte in den Versuchsphasen nicht untersucht werden, ist aber bei der Aus-
bauplanung der Kläranlage unbedingt zu berücksichtigen.
Vor diesem Hintergrund ist die bei allen Versuchsanlagen unzureichende Stickstoffeli-
mination zu bewerten. Jedoch zeigten sich innerhalb der Versuchsanlagen einige Un-
terschiede. So gelang es bei der Anlage BERGHOF nicht, die Regelung der intermittie-
renden Nitrifikation und Denitrifikation auf die stark schwankenden Stickstoffzulaufkon-
zentrationen bzw. -frachten zu optimieren. Eine sichere Einhaltung des Ammoni-
umgrenzwertes von 5 mg/l war bei gleichzeitig weitgehender Denitrifikation nicht mög-
lich. In Betriebsphasen mit Einhaltung des Ammoniumgrenzwertes stellte sich nicht die
erhoffte Denitrifikationsleistung ein. Die Konzentrationsspanne im Zulauf war zu groß
für die Toleranzweite einer Einbecken-Biologie.
Bei der Versuchsanlage WABAG konnte nicht immer vollständig nitrifiziert werden. Dies
lag zum einen an der grobblasigen Belüftung, die erst im Versuchsverlauf gegen eine
feinblasige ausgetauscht wurde, und zum anderen an der zu geringen Gebläseleistung.
Wie sich im Zusammenhang mit den Sauerstoffeintragsversuchen zeigte, kann die
punktförmige Anordnung der Belüftung unter dem Membranmodul für den Sauerstoff-
eintrag als ungünstig bezeichnet werden.
Durch die höhere Gebläseleistung und die Aufteilung der Belüftung in eine punktförmi-
ge Membranbelüftung und eine flächendeckend „Biologiebelüftung“ konnte bei der An-
lage ZENON fast immer vollständig nitrifiziert werden.
Die Denitrifikation war bei den Versuchsanlagen WABAG und ZENON, hauptsächlich
aufgrund des ungünstigen TKN/BSB5-Verhältnisses unzureichend. Allerdings stellten
sich auch Betriebszustände ein, bei den die spezifische Anlagentechnik niedrige De-
nitrifikationsleistungen hervorgerufen hat. Dies war der Fall bei hohen Mischwasserzu-
flüssen mit niedrigen CSB-Werten, aber TKN-Zulaufkonzentrationen über 25 mg/l. Die
hohen Membranflüsse erfordern systembedingt hohe Luftmengen zur Erzeugung einer
ausreichenden Turbulenz auf der Membranoberfläche. Dadurch werden hohe Sauer-
stoffkonzentrationen in der Nitrifikation erzielt und durch die Rezirkulation die Nitratat-
mung reduziert.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 189 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
7.8 Phosphorelimination
Die Phosphorelimination durch Simultanfällung von Phosphaten verlief bei allen Anla-
gen ausgezeichnet. Bei einer mittleren Fällmitteldosierung von ca. 10 gFe/m³, entspre-
chend einem β-Wert von 1,5, konnten Konzentrationen von 0,3 mg/l PO43--P im Ablauf
sicher eingehalten werden. Aufgrund des feststofffreien Ablaufs kann dieser Wert mit
den Pges-Konzentration gleichgesetzt werden.
Wie sich bei den Untersuchungen zeigte, variieren die Phosphorkonzentrationen im
Tagesverlauf nur gering. Mit geringem regelungstechnischen Aufwand ist eine konstant
niedrige P-Konzentration im Ablauf durch Simultanfällung möglich.
Eine negative Auswirkung der Fällung auf die hydraulische Leistung der Membranen
konnte nicht beobachtet werden.
Der zusätzliche Schlammanfall durch die Fällung betrug 30 bis 50 %.
7.9 Mikrobiologische Parameter
Aus der Untersuchung von 15 Proben während des gesamten Versuchszeitraumes auf
mikrobiologische Parameter kann geschlossen werden, daß bei konstantem Betrieb,
ohne Eingriffe in die Anlagentechnik, keine Keime im Ablauf der Anlagen nachgewiesen
werden können. Diese Ergebnisse beziehen sich auf die untersuchten Parameter: ge-
samtcoliforme Keime, Escherichia coli, Salmonellen und Fäkalstreptokokken.
So wurde im Ablauf der Anlage WABAG in keiner Probe Keime gefunden. Das Abwas-
ser kann durchgehend als hygienisch einwandfrei bezeichnet werden.
Im Ablauf der Anlage ZENON und auch der Anlage BERGHOF konnten zeitweise er-
höhte Keimzahlen gemessen werden. Diese Ereignisse fielen mit den Umbaumaßnah-
men an den Membranmodulen zusammen. Im weiteren Verlauf konnten bei konstan-
tem Anlagenbetrieb auch bei diesen Anlagen keine Keime mehr nachgewiesen werden.
Zusätzlich wurde mittels drei Stichproben die Elimination von Viren (Coliphagen) unter-
sucht. Bei einer Choliphagenkonzentration im Zulauf von 200 bis 5100 Coliphagen je
Milliliter konnten im Ablauf von allen Versuchsanlagen keine Coliphagen mehr nachge-
wiesen werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 190 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
7.10 Schlammbelastungen und Überschußschlammproduktion
Die Schlammbelastungen der Versuchsanlagen lagen im gesamten Untersuchungszeit-
raum zwischen 0,1 und 0,01 kgCSB/(kgTS⋅d). Im Mittel wurde bei Trockenwetterbedin-
gungen eine Schlammbelastung von 0,06 kgCSB/(kgTS⋅d) eingestellt.
Die spezifischen Überschußschlammproduktionen zeigten - entgegen der Erwartung -
kein einheitliches Bild in Abhängigkeit der Schlammbelastung. Es konnten spezifische
Überschußschlammproduktionen zwischen 0,2 und 0,8 kgTS/kgCSBzu gemessen wer-
den (im Mittel 0,6 kgTS/kgCSBzu). Auffallend war über den gesamten Versuchszeitraum
hinweg eine relativ konstante, auf den Abwasserzufluß bezogen Über-
schußschlammproduktion bei allen Versuchsanlagen. Hier konnten folgende Werte er-
mittelt werden:
Tab. 7.2 Mittlere Überschußschlammproduktion in kgTS/m³Abwasser
Bei hohem Mischwasseranteil 0,05
Übliche Trockenwetterbedingungen 0,1
Mit Simultanfällung 0,15
7.11 Sauerstoffzufuhr und Feststoffgehalt
Von elementarer Bedeutung, insbesondere bei der Betrachtung des Energiebedarfs, ist
der Zusammenhang zwischen Sauerstoffzufuhr und Feststoffgehalt. Wie in ausführli-
chen Sauerstoffeintragsversuchen gezeigt werden konnte, verringert sich die Sauer-
stoffzufuhr mit zunehmendem Feststoffgehalt erheblich. Wird die Sauerstoffzufuhr unter
Reinwasserbedingungen zu 100 % gesetzt, so verringert sich die Sauerstoffzufuhr bei
einem Feststoffgehalt von 10 g/l auf 45 %, bei Feststoffgehalten von 20 g/l auf 18 %
und bei Feststoffgehalten von über 25 g/l auf nur noch 10 %. Wird für konventionelle
Belebungsanlagen mit einem Feststoffgehalt von 4 g/l ein Eintragsverhältnis (α-Wert)
von 70 % angenommen, so bedeutet eine Erhöhung des Feststoffgehaltes auf 20 g/l
eine gleichzeitige Erhöhung der Luftzufuhr - und damit auch des Energieverbrauchs -
um 400 %.
In den Untersuchungen konnte auch gezeigt werden, daß die konzentrierte Belüftera-
nordnung unter den Membranmodulen (bei der Anlage WABAG) eine geringe Sauer-
stoffzufuhr mit sich bringt. Die Sauerstoffausnutzung dieser Belüfteranordnung liegt
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 191 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
bestenfalls in der Größenordnung von mittelmäßigen Band- oder Linienbelüftern. Flä-
chendeckende Belüftungen, wie sie in konventionellen Belebungsanlagen angeordnet
werden, weisen eine um bis zu 30 % erhöhte Sauerstoffausnutzung auf. Der Energie-
bedarf ist entsprechend um 30 % niedriger.
Die Versuchsanlage ZENON ist hinsichtlich der Belüftung der Biologie schon optimiert.
Die hier eingebaute flächendeckende Belüftung erzielt hohe spezifische Sauerstoffaus-
nutzungen. Wie sich in den Versuchen zeigte, genügt bei Mischwasserzufluß allein die
Belüftung der Membranen zur Deckung des Sauerstoffbedarfs. Die Sauerstoffausnut-
zung dieses Belüftungssystems (grobblasige Punktbelüftung) liegt ca. 65 % unter der
Sauerstoffausnutzung von flächendeckenden Belüftungen. Für den Mischwasserzufluß
mit ausreichender Sauerstoffzufuhr durch die Membranbelüftung bedeutet dies, daß
der Energiebedarf bei diesem Betriebszustand um bis zu 65 % gegenüber einer kon-
ventionellen Belebung mit flächendeckender Belüftung erhöht ist.
7.12 Systemrelevanter Energieeinsatz
Die hier angegebenen Stromverbrauchswerte beziehen sich ausschließlich auf die für
diese Anlagentechnik relevante Verbraucher. Bei den getauchten Membransystemen
wurden die Gebläse für die Biologie und die Belüftung der Membranen sowie die Saug-
pumpen berücksichtigt. Bei der Anlage BERGHOF betrifft dies die Umwälzpumpen für
die Membranüberströmung und die Zufuhrpumpe. Zusätzliche Stromverbraucher wie
Zulaufpumpen, Rezirkulationspumpen und Rührwerke wurden hier nicht berücksichtigt.
Im Versuchsabschnitt 4 konnte für die Anlage WABAG (mit intermittierender Belüftung)
und für die Anlage ZENON (optimierte Gebläse) im Mittel ein spezifischer Strom-
verbrauch von 1,3 bis 1,4 kWh/m³ ermittelt werden. In diesem Versuchsabschnitt betrug
der Feststoffgehalt ca. 13 g/l. Hierbei muß allerdings erwähnt werden, daß die intermit-
tierende Belüftung bei der Anlage WABAG eine negative Auswirkung auf die Membran-
leistung hatte. Eine Reduzierung der Luftmenge aus Gründen der Energieeinsparung
kann nur mit verkürzten Reinigungsintervallen in Kauf genommen werden.
Die Versuchsanlage BERGHOF wies einen durchschnittlichen Energiebedarf von 3 bis
3,5 kWh/m³ auf. Aufgrund Umwälzpumpen mit geringem Wirkungsgrad und einer zu
geringen Membranleistung (teilweise Verstopfungen) konnten niedrigere Werte nicht
erzielt werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 192 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
Im weiteren Verlauf der Untersuchungen zeigte sich, wie aus den Ergebnissen zum
Sauerstoffeintrag auch nicht anders zu erwarten war, daß der spezifische Energieein-
satz bei Feststoffgehalten von 25 g/l auf über 2,5 kWh/m³ für die getauchten Membran-
systeme WABAG und ZENON ansteigt. Aus Gründen der Energieeinsparung sollte in
Membranbelebungsanlagen ein Trockensubstanzgehalt kleiner 15 g/l eingestellt wer-
den.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 193 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 1
8 Literatur
Pöpel, H.J., Wagner, M. (1989). Sauerstoffeintrag und Sauerstoffertrag moderner Belüf-tungssysteme. Korrespondenz Abwasser 36, 582 – 590
Pöpel, H.J. (1985). Grundlagen zur Optimierung der Belüftung und Energieeinsparung, Schriftenreihe WAR, 23, TH Darmstadt.
Günder, B. und Krauth, Kh. (1997). Belebungsverfahren mit minimaler Über-schußschlammproduktion. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 145.
Chmiel, H. (1993). Integration von Membrantrennverfahren in kontinuierliche Biopro-zesse. Chem.-Ing.-Tech. 65, 7, 848-852
Bohn, T. (1993). Wirtschaftlichkeit und Kostenplanung von kommunalen Abwasserrei-nigungsanlagen. Dissertation an der Universität Stuttgart.
Imhoff, K. und K.R. (1990). Taschenbuch der Stadtentwässerung. R. Oldenbourg-Verlag. München, Wien
Universität Stuttgart
Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft
Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr.-Ing. O. Tabasaran
Abteilung Abwassertechnik
Abteilungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth
Bandtäle 2, 70569 Stuttgart
Untersuchungen zum Ersatz der Nachklärung durch
Membranfiltration in der kommunalen Abwasserreinigung bei stark
variablen Zulaufverhältnissen
auf der Kläranlage Immenstaad des Abwasserverbandes
Lipbach-Bodensee
Schlußbericht Teil 2
Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen
Auftraggeber:
Regierungspräsidium Tübingen
Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung,
Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) und des
Ministeriums für Umwelt und Verkehr, Baden-Württemberg
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Kh. Krauth
Sachbearbeiter: Frau Dr. rer. nat. B. Behnke
September 1998
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite II Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Inhaltsverzeichnis Teil 2
Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen
1 Zielsetzung der Untersuchungen ......................................................................1
2 Untersuchungen der Anreicherung anorganischer und organischer Schadstoffe im belebtem Schlamm ..................................................................2 2.1 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 1 - 4)..........2 2.2 Gehalte von Schwermetallen im belebtem Schlamm
(Versuchsabschnitte 1 - 4) .........................................................................4 2.3 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem
Schlamm (Versuchsabschnitte 1 - 4) .........................................................7 2.4 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6)...........8 2.5 Gehalt der Schwermetalle im belebtem Schlamm
(Versuchsabschnitte 5, 6)...........................................................................9 2.6 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem
Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6) ........................................................12 2.7 Gehalt von AOX im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6) .............................13 2.8 Gehalt von Schwermetallen im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6) ...........14 2.9 Untersuchung der Gehalte anorganischer Ionen (Nährstoffe) im
belebtem Schlamm ..................................................................................15
3 Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen.....17
4 Untersuchungen zum Abbau umweltrelevanter organischer Substanzen .20 4.1 EDTA und anionische Tenside.................................................................20 4.2 Arzneimittel und Stickstoffverbindungen ..................................................20 4.3 Endokrin wirksame Substanzen...............................................................22 4.4 Tests auf endokrine Wirkung....................................................................24
5 Methoden und Daten.........................................................................................26 5.1 Probenahme.............................................................................................26 5.2 Analysenverfahren ...................................................................................26
5.2.1 Verwendete DIN-Verfahren.........................................................26 5.2.2 EDTA-Bestimmung .....................................................................27 5.2.3 Bestimmung des Gesamtphosphors...........................................27 5.2.4 Proteinbestimmung (modifizierte Methode nach Lowry).............27 5.2.5 Bestimmung der nicht-abbaubaren, nicht-
membrangängigen Substanzen..................................................27 5.2.6 Bestimmung der Arzneimittel ......................................................28 5.2.7 Bestimmung der endokrin wirksamen Substanzen.....................28
5.3 Analysenergebnisse in Tabellenform.......................................................28 5.3.1 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 1 - 4.....................28 5.3.2 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 5, 6 ......................32
6 Zusammenfassung ...........................................................................................39
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite III Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Symbolverzeichnis AOX Adsorbierbare organische Halogenverbindungen BBP Benzylbutylphthalat DBP Di-n-butylphthalat EDTA Ethylendiamintetraessigsäure GV Glühverlust LAS lineare Alkylsulfonate LOEC lowest observable effective concentration MBAS Methylenblauaktive Substanzen m-RNA messenger ribonucleic acid n.a. nicht auswertbar n.n. nicht nachweisbar PCB Polychlorierte Biphenyle PCDD Polychlorierte Dibenzodioxine PCDF Polychlorierte Dibenzofurane PCR polymerase chain reaction PNEC predicted no effect concentration SDS Natriumdodecylsulfat TS Trockensubstanz VA Versuchsabschnitt
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 1 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
1 Zielsetzung der Untersuchungen
Mit der Untersuchung des belebten Schlammes und des Ablaufs der Membrananlagen
sollten folgende Fragen geklärt werden:
• Reichern sich Schadstoffe im Schlamm der Membrananlagen an, die gesonderte
Entsorgungswege notwendig machen?
• Reichern sich nicht-membrangängige Substanzen im belebtem Schlamm an, die
die biologische Aktivität oder den Betrieb stören?
• Werden die Konzentrationen umweltrelevanter Stoffe im Abwasser gesenkt?
Zur Klärung dieser Fragen wurden die in Tabelle 1 aufgeführten Substanzen in das Un-
tersuchungsprogramm aufgenommen. Die Auswahl zur Untersuchung der Anreiche-
rung im Schlamm orientierte sich an der Klärschlammverordnung. Die Untersuchung
der Abwasserqualität erfolgte anhand aktueller umweltrelevanter Stoffgruppen und Ein-
zelstoffe. Für einen direkten Vergleich mit konventioneller Klärtechnik wurden zusätzlich
Proben des belebten Schlamms und des Ablaufs des Klärwerks Immenstaad (Ver-
gleichsanlage) untersucht. Die Untersuchungen wurden nur mit dem Schlamm und den
Abläufen der Anlagen der Firmen Wabag und Zenon durchgeführt. Aufgrund des späte-
ren Versuchsstarts wurde die Anlage Berghof hier nicht Untersucht.
Tab. 1 Übersicht der untersuchten Substanzklassen
VA 1-6 Anreicherung anorganischer und organischer Schadstoffe im beleb-tem Schlamm: - Schwermetalle - Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) - Polychlorierte Biphenyle (PCB)
VA 5,6 Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen
VA 1-4 VA 5,6
Untersuchungen zur Konzentration umweltrelevanter organischer Schadstoffe im Ablauf: - EDTA, Tenside - Arzneimittel und Stickstofforganische Verbindungen - Stoffe mit endokriner Wirkung - Tests auf endokrine Wirkung Vorversuche Intensivuntersuchungen
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 2 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Die Untersuchungen zur Anreicherung von Schadstoffen erfolgte im Anschluß an eine
Anlaufphase über alle Versuchsabschnitte. Die Untersuchungen zur Anreicherung
nicht-membrangängiger Substanzen und des Abbauverhaltens wurden während der
Intensivuntersuchungsphasen der Versuchsabschnitte 5, 6 durchgeführt.
2 Untersuchungen der Anreicherung anorganischer und organischer
Schadstoffe im belebtem Schlamm
Bei den Schlammuntersuchungen sollte geklärt werden, inwieweit sich anorganische
oder organische Schadstoffe im Schlamm anreichern. Des weiteren sollte untersucht
werden, ob zu erwarten ist, daß der Überschußschlamm für eine Ausbringung auf
landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzte Böden gemäß Klärschlammverordnung
geeignet ist.
Hierzu wurden die Gehalte der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen
(AOX), der Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Quecksilber und Zink
und der polychlorierten Biphenyle (PCB) im belebtem Schlamm in Abständen von ca. 4
- 6 Wochen im Zeitraum von Juli 1997 - Mai 1998 bestimmt. Die Auswertung erfolgt in
zwei Teilen entsprechend den Versuchsabschnitten VA 1 - 4 (1997) und den Versuchs-
abschnitten 5, 6 (1998).
Auf eine Bestimmung der polychlorierten Dibenzodioxine (PCDD) und Dibenzofurane
(PCDF) wurde aufgrund der hohen Kosten und des zu den PCB analogen Anreicher-
ungsverhaltens (hohe Persistenz, geringe Wasserlöslichkeit, niedriger Dampfdruck,
gute Adsorption an Feststoffe) verzichtet.
2.1 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 1 - 4)
Abb. 1 zeigt den Gehalt der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen im be-
lebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der Firmen Wabag
und Zenon. In allen Fällen waren die Höchstwerte der Klärschlammverordnung unter-
schritten. Der Mittelwert der Vergleichsanlage lag mit 132 mg/kg TS deutlich unter dem
Durchschnittswert der Membrananlagen von 274 mg/kg TS. Dabei war der AOX-Gehalt
bei der Vergleichsanlage annähernd konstant. Auffällig ist jedoch die deutliche Abnah-
me des AOX-Gehaltes im Schlamm der Membrananlagen und die Annäherung an den
Wert der Vergleichsanlage zu Jahresende.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 3 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
AOX
117 119105
186
114
154
393
363
195 196
391
271
216
157
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV 500 mg/kg TS)
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen Abb. 1 Gehalt adsorbierbarer organischer Halogenverbindungen (AOX) im be-
lebtem Schlamm (1997)1
Tab. 2 Ergebnisse der Klärschlammuntersuchungen der Kläranlagen Immen-staad und Hattenweiler2 (Teil Schwermetalle und AOX)
(mg/kg TS) Hattenweiler 12.3.1997
Immenstaad 15.04.1997
Immenstaad 30.01.1998
AOX Blei Cadmium Chrom Kupfer Nickel Quecksilber Zink
17065
136
25525
01107
, ,
8 31
7032
032
20424
0533
, ,
73 30
11044
134
28823
1800
, ,
1 1
Der belebte Schlamm für die Membrananlagen wurde dem Belebungsbecken des Klär-
werks Hattenweiler entnommen (eisenfrei). Tab. 2 zeigt die Ergebnisse der Klär-
schlammuntersuchungen der Klärwerke Hattenweiler und Immenstaad im Frühjahr
1997. Der AOX-Gehalt im Klärschlamm liegt mit 170 mg/kg TS in Hattenweiler deutlich
über den 70 mg/kg TS in Immenstaad. Es ist daher anzunehmen, daß die anfänglich
1 Höchstwert für Klärschlammuntersuchungen gemäß AbfKlärV vom 15.04.1992 2 Die Analysen wurden vom Institut Fresenius, Stockach, durchgeführt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 4 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
hohen Gehalte in den Membrananlagen von der hohen Belastung des Hattenweiler
Schlamms hervorgerufen wurden. Bei der geringeren Belastung des Immenstaader
Zulaufs hat sich der Gehalt der Membrananlagen im Laufe des halben Jahres durch
Abbau oder durch Überschußschlammentnahme dem Wert der Vergleichsanlage an-
genähert, liegt jedoch noch ca. 30 % darüber.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß der AOX-Gehalt im belebtem Schlamm
häufig über dem Gehalt des daraus hervorgehenden Klärschlamms liegt, da die Halo-
genverbindungen bei der Faulung zum Teil weiter abgebaut werden.
2.2 Gehalte von Schwermetallen im belebtem Schlamm
(Versuchsabschnitte 1 - 4)
Abb. 2 bis Abb. 8 zeigen die Gehalte der Schwermetalle Blei, Cadmium, Chrom, Kup-
fer, Nickel, Quecksilber und Zink im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der
Membrananlagen der Firmen Wabag und Zenon. In allen Fällen wurden die Höchstwer-
te der Klärschlammverordnung für Klärschlamm unterschritten. Mit Ausnahme von Ni-
ckel und Quecksilber lagen die Mittelwerte der Membrananlagen ca. 20 - 50 % über
denen der Vergleichsanlage. Ähnlich wie bei den AOX fand im Laufe des halben Jahres
eine Annäherung an die Werte der Vergleichsanlage statt, so daß auch hier die hohen
Anfangswerte mit großer Wahrscheinlichkeit durch den Hattenweiler Schlamm verur-
sacht wurden. Die Membrananlagenmittelwerte für Quecksilber und Nickel lagen jedoch
unter denen der Vergleichsanlage. Im Falle von Nickel liegen die Werte der Membran-
anlagen mit 35 - 57 mg/kg TS in der Größenordnung, wie sie von den Klärschlamm-
untersuchungen (Tab. 2) für die Anlage Immenstaad zu erwarten sind. Die Werte der
Vergleichsanlage liegen jedoch deutlich darüber, wobei auch hier eine abfallende Ten-
denz zu beobachten ist. Die Ursache für die für Immenstaad ungewöhnlich hohen Wer-
te könnten beispielsweise Umbaumaßnahmen zwischen Vorklärung und Ablauf sein.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 5 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Blei
53
3129
33
2830
53
66
35 35
45 46
40
30
0
10
20
30
40
50
60
70
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen
(Höchstwert AbfKlärV 900 mg/kg TS)
Abb. 2 Bleigehalte im belebtem Schlamm (1997)1
Mittelwert MembrananlagenMittelwert Vergleichsanlage
Cadmium
1,21,1 1,1
1,7
0,9
1,1
2
2,5
1,21,3
1,7 1,7
1,31,2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV10 (5) mg/kg TS)
Abb. 3 Cadmiumgehalte im belebtem Schlamm (1997)1
Chrom
25 26 27
20 21
50
63
28 28
37
31
19
0
10
20
30
40
50
60
70
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV 900 mg/kg TS)
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen
32 32
Abb. 4 Chromgehalte im belebtem Schlamm (1997)1
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 6 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Mittelwert MembrananlagenMittelwert Vergleichsanlage
Kupfer
190 194
166
207
167
194
310
372
206
240
290
355
304
178
0
50
100
150
200
250
300
350
400
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV 800 mg/kg TS)
Abb. 5 Kupfergehalte im belebtem Schlamm (1997)1
.
Nickel132
116111
74 74
5751
5749
4235
0
20
40
60
80
100
120
140
160
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV 200 mg/kg TS)
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen
96
41 40
Abb. 6 Nickelgehalte im belebtem Schlamm (1997)1
Quecksilber
0,7
0,35
1,1
0,85
1,2
0,72
0,5
0,60,67 0,66
0,2 0,17
0,720,68
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV 8 mg/kg TS)
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen Abb. 7 Quecksilbergehalte im belebtem Schlamm (1997)1
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 7 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Zink
770
571 548
774
587 611
1120
969
718 701
1010 1002
1081
736
0
200
400
600
800
1000
1200
10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
(Höchstwert AbfKlärV 2500 ( 2000) mg/kg TS)
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen Abb. 8 Zinkgehalte im belebtem Schlamm (1997)1
Auch im Falle von Quecksilber liegt der Mittelwert der Membrananlagen unter dem der
Vergleichsanlage. Dies könnte durch ein verstärktes Ausblasen von Quecksilber oder
flüchtiger quecksilberorganischer Verbindungen durch die Druckbelüftung hervor-
gerufen worden sein. Für eine Bestätigung dieser Vermutung bedarf es jedoch weiterer
Untersuchungen, die nicht im Rahmen dieses Projektes durchgeführt werden konnten.
2.3 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem Schlamm
(Versuchsabschnitte 1 - 4)
Abb. 9 zeigt die Gehalte der sechs in der Klärschlammverordnung zur Untersuchung
vorgeschriebenen PCB-Kongenere im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und
der Membrananlagen. In allen Fällen wurden die Höchstwerte der Klärschlammver-
ordnung für Klärschlamm von 200 µg/kg TS je Kongener deutlich unterschritten. Die
Einzelwerte liegen mit < 5 - 23 µg/kg TS insgesamt relativ niedrig und entsprechen de-
nen, wie sie von der Klärschlammuntersuchung für Immenstaad zu erwarten sind (Tab.
3). In dieser Versuchsphase ist weder eine Anreicherung noch ein verbesserter Abbau
der PCB im belebtem Schlamm der Membrananlagen feststellbar.
Tab. 3 PCB-Gehalt im Klärschlamm der Kläranlage Immenstaad 15.04.19972
PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe
Klärschlamm Immenstaad 5 5 10 24 29 16 89
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 8 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Ver
gl. 1
0.07
.97
Zen
on 1
0.07
.97
Ver
gl.1
4.08
.97
Wab
ag 1
4.08
.97
Ver
gl. 2
7.10
.97
Zen
on 2
7.10
.97
Ver
gl. 2
7.11
.97
Wab
ag 2
7.11
.97
Zen
on 2
7.11
.97
PC
B 2
8
PC
B 5
2
PC
B 1
01
PC
B 1
38P
CB
153
PC
B 1
80S
umm
e
0
10
20
30
40
50
60
70
80
µg/k
g T
S
PCB (Höchstwert AbfKlärV 200 µg/kg TS je Kongener)
Abb. 9 Gehalt von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem Schlamm (1997)1
2.4 Gehalt von AOX im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6)
Abb. 10 zeigt den Gehalt der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen im
belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der Firmen Wabag
und Zenon. Der Höchstwert von 500 mg/kg TS für Klärschlamm gemäß AbfKlärV war
stets unterschritten. Die Werte der Vergleichsanlage lagen mit 117 -130 mg/kg TS unter
denen der Zenon-Anlage mit 144 - 149 mg/kg TS und denen der Wabag-Anlage mit
213 - 242 mg/kg TS. Im Gegensatz zu den Versuchsabschnitten 1 - 4 waren die AOX-
Gehalte in den Versuchsabschnitten 5, 6 konstant und ein Einfluß der AOX-Gehalte
des ursprünglich aus Hattenweiler stammenden Schlammes kann ausgeschlossen
werden. Der deutliche Unterschied zwischen der Anlage Wabag und Zenon könnte ver-
fahrenstechnisch begründet sein, ein Nachweis dieser Vermutung konnte im Rahmen
dieser Untersuchungen jedoch nicht erbracht werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 9 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
.
AOX im Schlamm
130117
129
213
242232
144 149 144
0
50
100
150
200
250
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Mittelwert Vergleichsanlage Mittelwert Membrananlagen
Abb. 10 Gehalt adsorbierbarer organischer Halogenverbindungen (AOX) im be-lebtem Schlamm (1998)
2.5 Gehalt der Schwermetalle im belebtem Schlamm (Versuchsabschnitte 5, 6)
Abb. 11 - Abb. 17 zeigen den Gehalt der sieben Schwermetalle gemäß Klärschlamm-
verordnung im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der
Firmen Wabag und Zenon. Die Höchstwerte der Klärschlammverordnung für Klär-
schlamm waren stets deutlich unterschritten. Mit Ausnahme von Chrom lagen die Mit-
telwerte beider Membrananlagen auf ähnlichen Niveaus mit ca. 4 % (Nickel) bis 47 %
(Cadmium) über den Werten der Vergleichsanlage. Die Chromgehalte lagen jedoch
durchschnittlich 163 % (Zenon) und 287 % (Wabag) über den Werten der Vergleichs-
anlage (100 %). Hinsichtlich des Grenzwertes der Klärschlammverordnung von
900 mg/kg TS Chrom im Klärschlamm liegen die absoluten Werte der Anlagen in Im-
menstaad mit durchschnittlich 45 mg/kg TS (Zenon), 79 mg/kg TS (Wabag) und
27 mg/kg TS (Vergleichsanlage) insgesamt niedrig.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 10 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
.Blei
30
33
40
35
41
51
33
4851
0
10
20
30
40
50
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 11 Bleigehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
Cadmium
1,2
1,0
1,5
2
1,6
1,8
2,5
1,7
1,4
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 12 Cadmiumgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
.Chrom
2427
32
70
88
80
4447
44
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 13 Chromgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 11 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Kupfer
215
195
215
235
256
286
229245
289
0
50
100
150
200
250
300
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 14 Kupfergehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
.Nickel
21 2120
21
24
22
20
22
20
0
5
10
15
20
25
30
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 15 Nickelgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
.
Quecksilber
0,5
< 0,65 < 0,6
0,73
0,820,86
0,63
0,73
0,66
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 16 Quecksilbergehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 12 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
.Zink
673
542
729
784754
798
881
820
904
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 17 Zinkgehalte im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
Im Gegensatz zu der Versuchsabschnitten 1 - 4 waren die Schwermetall-Gehalte in
den Versuchsabschnitten 5, 6 annähernd konstant. Insgesamt war hinsichtlich der
Höchstwerte der Klärschlammverordnung für Klärschlamm nur eine geringfügige Anrei-
cherung von Schwermetallen im belebtem Schlamm festzustellen.
2.6 Gehalte von polychlorierten Biphenylen (PCB) im belebtem Schlamm
(Versuchsabschnitte 5, 6)
Abb. 18 zeigt die Gehalte der sechs in der Klärschlammverordnung zur Untersuchung
vorgeschriebenen PCB-Kongenere im belebtem Schlamm der Vergleichsanlage und
der Membrananlagen der Firmen Wabag und Zenon. Die Höchstwerte der Klär-
schlammverordnung von 200 µg/kg TS je Kongener wurden stets deutlich unter-
schritten. Die Einzelwerte liegen mit < 5 - 18 µg/kg TS verhältnismäßig niedrig. Es ist
damit auch in den Versuchsabschnitten 5, 6 weder eine Anreicherung noch ein verbes-
serter Abbau der polychlorierten Biphenyle im belebtem Schlamm der Membrananla-
gen feststellbar.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 13 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Ve
rgl.
02.0
3.98
Zen
on
02.
03.1
998
Ve
rgl.
01.0
4.19
98
Zen
on
01.
04.1
998
Ve
rgl.
07.0
5.19
98
Wa
ba
g 0
7.05
.199
8
Zen
on
07.
05.1
998
PC
B 28
PC
B 52
PC
B 10
1
PC
B 13
8
PC
B 15
3
PC
B 18
0
Sum
me
0
10
20
30
40
50
60
70
80
µg/k
g T
S
PCB (Höchstwert 200 µg/kg TS je Kongener)
Abb. 18 Gehalte von polychlorierten Biphenylen im belebtem Schlamm (VA 5,6; 1998)
2.7 Gehalt von AOX im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6)
Abb. 19 zeigt den Gehalt der adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen im
Ablauf der Vergleichsanlage und der Membrananlagen der Firmen Wabag und Zenon.
Die Werte liegen insgesamt sehr niedrig. Da die Ablaufwerte bei allen drei Anlagen
leicht zunehmen, ist von einer Erhöhung der Zulaufkonzentrationen während des Un-
tersuchungszeitraumes auszugehen. Die Membrananlage der Firma Zenon zeigt mit
durchschnittlich 31,3 µg/l eine vergleichbare Ablaufqualität wie die Vergleichsanlage mit
31,0 µg/l. Die Ablaufkonzentrationen der Wabag-Anlage liegen mit durchschnittlich
22,7 µg/l AOX 73 % unter dem Wert der Vergleichsanlage.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 14 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
.
AOX im Ablauf
21
29
43
16
22
30
26
29
39
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
µg/l
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 19 Gehalte von adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen (AOX) im Ablauf (VA 5,6; 1998)
2.8 Gehalt von Schwermetallen im Ablauf (Versuchsabschnitte 5, 6)
Mit Ausnahme von Zink lagen die Konzentrationen der untersuchten Schwermetalle im
Ablauf der drei Anlagen stets unter der Bestimmungsgrenze (
Tab. 15, S. 34). Die Ablaufwerte von Zink liegen bei den Membrananlagen zum Teil
über als auch unter denen der Vergleichsanlage. Die gemessenen Unterschiede der
Zinkgehalte liegen in der Größenordnung der zu erwartenden Tagesschwankungen der
Zulaufkonzentration. Es läßt sich daher keine eindeutige Tendenz zu erhöhten oder
erniedrigten Konzentrationen von Schwermetallen im Ablauf der Membrananlagen fest-
stellen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 15 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Zink im Ablauf
0,040
0,029 0,0290,032
< 0,025
0,051
0,033
0,046
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/l
Vergleichsanlage Wabag Zenon
< 0,025
Abb. 20 Zinkgehalt im Ablauf (VA 5,6; 1998)
2.9 Untersuchung der Gehalte anorganischer Ionen (Nährstoffe) im belebtem
Schlamm
Bei der Aufbringung von Klärschlamm auf landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzte
Böden ist nicht nur der Schadstoffgehalt, sondern auch der Gehalt der als Nährstoffe
wirkenden Stoffe zu beachten. Im Rahmen des Projektes wurden die Gehalte von Kali-
um, Calcium, Magnesium und Phosphor bestimmt. Auch bei diesen Parametern wurde
nur eine geringe Abweichung vom Schlamm der Vergleichsanlage festgestellt, wobei
der Kaliumgehalt in den Membrananlagen leicht erhöht und die Calcium- und Magnesi-
umgehalte des belebten Schlammes erniedrigt waren (s. Abb. 21 - Abb. 24). Zum Ver-
gleich sind in Tab. 4 die Werte des Immenstaader Klärschlamms angegeben.
Tab. 4 Anorganische Nährstoffe im Klärschlamm der Kläranlage Immenstaad 15.04.19972
Phosphat (P2O5) 5,2 % TS
Kaliumoxid (K2O) 0,17 % TS
Calciumoxid (CaO) 16 % TS
Magnesiumoxid (MgO) 0,54 % TS
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 16 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
.
K2O
0,76
0,920,85
0,92 0,91 0,93
1,10
1,20 1,20
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
% T
S
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 21 Kaliumgehalte im belebtem Schlamm angegeben als K2O (VA 5,6; 1998)
.
CaO
5,9
7,9 8,06
5,2
6,0 5,99
4,2
6,0 6,05
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
% T
S
Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 22 Calciumgehalte im belebtem Schlamm angegeben als CaO (VA 5,6;
1998)
.MgO
0,87
1,21 1,22
0,73
0,890,94
0,83
0,930,97
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
% T
S
Vergleichsanlage Wabag Zenon Abb. 23 Magnesiumgehalte im belebtem Schlamm angegeben als MgO (VA 5,6;
1998)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 17 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
3 Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substan-
zen
Bei den Schlammuntersuchungen sollte geklärt werden, inwieweit sich anorganische
und organische nicht-membrangängige Substanzen im Schlamm anreichern, die die
biologische Aktivität oder den Betrieb stören. Bei diesen Stoffen kann es sich beispiels-
weise um anorganische Partikel (Sand, Ton) handeln, die von den Membranen zurück-
gehalten werden. Sie können sich im belebtem Schlamm anreichern und senken damit
den Biomassegehalt. Bei organischen Substanzen ist die Bildung schwer abbaubarer
Biopolymere möglich, die als inerte Substanzen ebenfalls den Anteil der Biomasse sen-
ken. Zu befürchten war auch die Anreicherung der bei der Klärschlammentwässerung
als Flockungshilfsmittel eingesetzten Polyelektrolyte.
Die in kommunalen Kläranlagen häufig eingesetzten Flockungshilfsmittel sind langketti-
ge polymere organische Verbindungen mit einem Molekulargewicht von ca. 1 - 10 Milli-
onen Dalton. Es handelt sich dabei häufig um Polyacrylsäurederivate. Diese Polymere
bestehen aus einer langen Kohlenstoffkette mit vielen kurzen Seitenketten. Die Seiten-
ketten tragen die sauren Gruppen der Acrylsäure, an die über eine Ester- oder Amid-
bindung kleine Moleküle wie Cholin verknüpft sind, die eine positive Ladung tragen (Ka-
tionen). Die Wirkung dieser Polyelektrolyte als Flockungshilfsmittel besteht darin, sich
an mehrere einzeln schwebende Belebtschlammflocken oder Einzelorganismen anzu-
lagern und diese zu einem größeren Aggregat zu verknüpfen. Dadurch wird eine deut-
lich höhere Sedimentationsgeschwindigkeit erreicht. Die gute Anlagerungsfähigkeit der
kationischen Polyelektrolyte an den belebten Schlamm liegt darin begründet, daß die
Belebtschlammflocken selbst negative Ladungen auf der Oberfläche tragen.
Für die Untersuchung der Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen ins-
besondere in den Versuchsabschnitten 5, 6 wurde zunächst die anorganische Fraktion
überprüft. Der Glühverlust gibt Aufschluß über den anorganischen Anteil eines
Schlamms. Abb. 25 zeigt den Glühverlust des belebten Schlamms der Vergleichs-
anlage und der Membrananlagen. Die Membrananlagen zeigen über den Unter-
suchungszeitraum einen relativ konstanten Wert von ca. 70%. Das heißt, es ist keine
Anreicherung anorganischer Partikel festzustellen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 18 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
.
P2O56,71
6,43 6,376,326,05
5,77
6,486,27 6,23
0
1
2
3
4
5
6
7
8
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/kg
TS
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 24 Phosphorgehalte im belebtem Schlamm angegeben als P2O5 (VA 5,6; 1998)
.Glühverlust
70,0
53,9 55,5
70,167,1 68,370,3
68,0 68,3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
% T
S
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 25 Glühverlust des belebten Schlamms (VA 5,6; 1998)
.
Protein-gehalt
980 924 780
6810
5738
4958
86907809
5301
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
mg
/l
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Abb. 26 Proteingehalte im belebtem Schlamm (nach Lowry) (VA 5,6; 1998)
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 19 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Die Anreicherung schwer abbaubarer hochmolekularer organischer Verbindungen bei
gleichbleibendem organischen Anteil im belebtem Schlamm würde zu einer Abnahme
der Biomasse im Schlamm führen. Als Sonderfall gehören die Polyelektrolyte in diese
Fraktion, da sie zusätzlich die Wirkung als Flockungshilfsmittel zeigen. Bei sehr hohen
Konzentrationen kann dies dazu führen, daß die Viskosität des belebten Schlammes
zunimmt und sich der Schlamm im Extremfall zu einem gelartigen Zustand verfestigt.
Während die Hauptkette dieser Polymere in der Regel nicht leicht abbaubar ist, werden
die Seitenketten relativ schnell abgebaut. Der daraus resultierende Wechsel der La-
dung der Polyelektrolyte führt dazu, daß die Wirkung als Flockungshilfsmittel weitge-
hendst verloren geht. In einem Belebungsbecken ist daher bei geringer Zufuhr von Flo-
ckungshilfsmitteln über einen längeren Zeitraum nicht mit Auswirkungen auf den beleb-
ten Schlamm zu rechnen. Dennoch wurde versucht, den Polyelektrolytgehalt zu
bestimmen, jedoch gibt es keine Methode zur Einzelstoffanalytik von Polyelektrolyten
im belebtem Schlamm. Es ist zwar möglich, Polyelektrolyte im Wasser nachzuweisen,
eine Quantifizierung im belebtem Schlamm ist aufgrund der schwierigen Abtrennung
vom belebten Schlamm nicht gelungen.
Wenn die Polyelektrolyte auch nicht als Einzelstoffe bestimmbar waren, so gehören sie
dennoch zur Gruppe der nicht-membrangängigen organischen Substanzen und werden
in dieser Fraktion miterfaßt. Als indirekte Methode zur Bestimmung der schwer abbau-
baren und damit anreicherbaren organischen Substanzen wurde der Biomasseanteil in
Form des Phosphorgehaltes (Abb. 24) und des Proteingehalts (Abb. 26) untersucht.
Wie bereits in Abschnitt 2.9 diskutiert wurde, hat sich der Phosphorgehalt im belebtem
Schlamm der Membrananlagen kaum verändert. Der Proteingehalt der Membrananla-
gen nimmt zwar im Untersuchungszeitraum ab, jedoch ebenso der Proteingehalt der
Vergleichsanlage, wobei die Verhältnisse zueinander annähernd konstant sind. Es
konnte daher keine Abnahme der Biomasse und damit auch keine Anreicherung nicht
abbaubarer organischer Substanzen festgestellt werden.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 20 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
4 Untersuchungen zum Abbau umweltrelevanter organischer Sub-
stanzen
Während der Versuchsabschnitte 5, 6 sollte das Abbauverhalten der Membrananlagen
bei erhöhtem Schlammalter untersucht werden. Es wurden dazu vier Substanzen bzw.
Substanzklassen ausgewählt: EDTA, anionische Tenside, Arzneimittel und endokrin
wirksame Substanzen. Neben der Einzelstoffanalytik wurden für eine Beurteilung des
Abbauverhaltens zusätzlich auch Tests auf endokrine Wirkung durchgeführt.
4.1 EDTA und anionische Tenside
In den Vorversuchen der Versuchsabschnitte 1-4 lag die EDTA-Konzentration im Ablauf
der Vergleichsanlage unter der Bestimmungsgrenze von 20 µg/l, so daß auf weitere
Bestimmungen verzichtet wurde. Anionische Tenside, die im Abwasser den mengen-
mäßig größten Anteil des Gesamttensidgehalts darstellen, werden als Gruppen-
parameter „methylenblauaktive Substanzen“ bestimmt. Sowohl bei der Vergleichs-
anlage als auch bei den Membrananlagen lagen die Ablaufwerte stets unter der Be-
stimmungsgrenze von 200 µg/l (Tab. 18, S. 37). Zum Vergleich, die predicted no effect
concentration (PNEC), das heißt die Konzentration, bei der keine Wirkung in der Um-
welt vorhersehbar ist, liegt für die linearen Alkylsulfonate (LAS), der mengenmäßig be-
deutendsten Gruppe der Aniontenside, in Oberflächengewässern in der Größen-
ordnung von 100 - 250 µg/l.
4.2 Arzneimittel und Stickstoffverbindungen
In den vergangenen Jahren sind vermehrt Arzneimittel im Ablauf von Kläranlagen un-
tersucht und im ng/l - µg/l Bereich nachgewiesen worden. Dies gab Anlaß dazu, diese
Substanzgruppe als Modellsubstanzen für das Abbauverhalten der Membrananlagen
zu wählen. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Gruppe von Arzneimitteln, die bei
der basischen Aufarbeitung erfaßt werden, untersucht. Zusätzlich wurden mehrere
stickstofforganische Verbindungen in dem gleichen Analysenverfahren mitbestimmt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 21 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Coffein2.3.98 1.4.98
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Arzneimittel
675
800
448
622
1754
13069 81
489514
192
96
214
505
n.n.0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
ng
/l
Carbamazepin2.3.98 1.4.98
Propyphenazon2.3.98 1.4.98
Primidon2.3.98 1.4.98
n.n. n.n.n.n. n.n.n.n. n.n.n.n.n.n.
Abb. 27 Arzneimittelkonzentrationen im Ablauf (VA 5,6; 1998)
Arzneimittel, die im Ablauf von Kläranlagen vorkommen, zeichnen sich durch schlechte
Abbaubarkeit und verbreitete Anwendung oder Anwendung in hohen Tagesdosen aus.
Die nachgewiesenen Arzneimittelrückstände stammen aus unterschiedlichen Indikati-
onsgruppen:
• Analgetika (Propyphenazon)
• Antiepileptika (Primidon, Carbamazepin)
• Antitussiva (Dihydrocodein, Hydrocodon)
• Vasodilatatoren (Pentoxyphollin)
Abb. 27 zeigt die Konzentrationen von Coffein, Carbamazepin, Propyphenazon und
Primidon im Ablauf der Vergleichsanlage und der Membrananlagen. Wie gut erkennbar
ist, wurde die Ablaufkonzentration des generell gut abbaubaren Coffeins in den Memb-
rananlagen auf ca. 10 - 30 % des Wertes der Vergleichsanlage gesenkt. Von Carba-
mazepin wurde in den Membrananlagen mit ca. 85 % nur eine geringfügig niedrigere
Konzentration als in der Vergleichsanlage gefunden. Auch bei den anderen Arzneimit-
teln und stickstofforganischen Verbindungen (Abb. 28) findet man eine Verringerung
der Ablaufwerte der Membrananlagen auf ca. 5 % - 95 % des Wertes der Vergleichsan-
lage. Insbesondere bei den Arzneimitteln (siehe Tab. 19, S. 37) waren die Rückstände
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 22 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
häufig nur in der Vergleichsanlage nachweisbar. Die Gehalte im Ablauf der Membran-
anlagen waren in diesen Fällen unter die Bestimmungsgrenze gesunken.
Arzneimittelkonzentrationen im ng/l Bereich gelten im allgemeinen nicht als humantoxi-
kologisch bedenklich. Es liegen jedoch kaum ökotoxikologische Daten von diesen Sub-
stanzen vor, so daß die Auswirkungen von Arzneimitteln auf den Vorfluter noch nicht
einschätzbar sind. Hinsichtlich einer möglichen Trinkwasserrelevanz sollten die Kon-
zentrationen im Ablauf von Kläranlagen möglichst gering sein.
Während niedrigere Konzentrationen der im Abschnitt 4.2 untersuchten Substanzen im
Ablauf der Membrananlagen eindeutig nachgewiesen werden konnten, lassen sich
durch die stark wechselnden Zulaufkonzentrationen keine eindeutigen Aussagen hin-
sichtlich eines verbesserten Abbauverhaltens bei höherem Schlammalter machen.
Aufgrund der sehr aufwendigen Analytik, die für Bestimmungen im ng/kg TS Bereich im
Schlamm notwendig ist, konnte im Rahmen dieses Projektes nicht überprüft werden, ob
die Ablaufwerte der Arzneimittel wie vermutet durch verbesserten Abbau der Memb-
rananlagen oder durch Adsorption an den belebten Schlamm gesenkt werden.
.Stickstoffverbindungen
178
462
28
182
320
530
1126 36
8 20 2952
n.n.
26 17 1027
95
182
0
100
200
300
400
500
600
Benzothiazol2.3.98 1.4.98
ng
/l
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Diethyltoluolamid
n.n. n.n. n.n. n.n.
1.4.982.3.98 1.4.982.3.98 1.4.982.3.98Methylbenzothiazol Crotamiton
Abb. 28 Konzentrationen von Stickstoffverbindungen im Ablauf (VA 5,6; 1998)
4.3 Endokrin wirksame Substanzen
Unter endokriner Wirkung versteht man die hormonartige Wirkung von Substanzen. Die
durch endokrin wirksame Substanzen bewirkten Veränderungen können vielfältiger
Natur sein. Häufig beeinflussen diese Substanzen die Geschlechtsentwicklung von
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 23 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Larven und Jungtieren. Die Folgen für die Biosphäre können eine Verschiebung des
Geschlechterverhältnisses oder das gehäufte Auftreten von Zwittern sein. Der Auslöser
für Untersuchungen auf endokrine Wirkung im Abwasser waren 1985 Berichte über
zwittrige Fische in den Vorflutern englischer Kläranlagen. Es sind zahlreiche Stoffklas-
sen, bei denen eine hormonartige Wirkung nachgewiesen wurde, bekannt:
• Hormone: natürliche: Estradiol, Estron künstliche: Ethinylestradiol, Mestranol
• Phytoestrogene (pflanzliche Hormone): β-Sitosterol, Luteolin
• Xenoestrogene (vom Menschen in die Umwelt eingebracht): - chlorierte Verbindungen wie PCB, Dioxine, PCP - Pestizide wie DDT und dessen Abbauprodukte - Tributylzinn - Phthalate - Alkylphenole - Bisphenol A, usw.
• Xenoandrogene: - Tributylzinn
In der Versuchsphase 5, 6 wurden die Ablaufkonzentrationen der natürlichen und
künstlichen Hormone Estradiol, Estron, Ethinylestradiol und Mestranol im Ablauf der
Vergleichsanlage und der Membrananlagen untersucht (
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 24 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Tab. 20, S. 38). Die den Abläufen ermittelten Hormonkonzentrationen liegen im Bereich
< 2 ng/l - 16 ng/l. Außerdem wurden die Xenoestrogene Bisphenol A, Benzylbutyl-
phthalat (BBP) und Di-n-butylphthalat (DBP) bestimmt. Im Ablauf der Membrananlagen
waren auch bei dieser Substanzgruppen deutlich niedrigere Gehalte als in der Ver-
gleichsanlage meßbar. Bei den Xenoestrogenen ist die verbesserte Ablaufqualität der
Membrananlagen besonders deutlich zu erkennen (Abb. 29). Ein im Laufe der Ver-
suchsabschnitte 5,6 verbesserter Abbau der Xenoöstrogene, den man sich durch Er-
höhung des Schlammalters erhofft hatte, konnte nicht eindeutig festgestellt werden.
.
Bisphenol A2.3.98 1.4.98
Vergleichsanlage Wabag Zenon
Xenoestrogene
653598
507
73 52 83
618
1671
801
2916 20 71 16 26
n.a.39
154
13 10 19 19
15670
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
ng
/l
7.5.98Benzylbutylphtalat
2.3.98 1.4.98 7.5.98Di-n-butylphtalat
2.3.98 1.4.98 7.5.98
Abb. 29 Konzentrationen von Xenoestrogenen im Ablauf (VA 5,6; 1998)
4.4 Tests auf endokrine Wirkung
Bei den Hormonen liegen die lowest observable effective concentrations (LOEC), das
heißt die niedrigsten wirksamen Konzentrationen, hinsichtlich endokriner Wirkungen im
Bereich von 0,1 - 1 ng/l. Bei diesen Konzentrationen beginnen auch männliche Forellen
das Eidotterprotein Vitellogenin als Kennzeichen einer „Verweiblichung“ zu bilden. Im
Vergleich hierzu wird mit Xenoestrogenen häufig erst bei deutlich höheren Konzentrati-
onen die gleiche Wirkung erzielt. Man kann bei bekannter Wirkung durch Bestimmung
der Konzentrationen der Einzelstoffe auf eine endokrine Wirkung des Abwassers
schließen. Demnach liegen die Konzentrationen der endokrin wirksamen Substanzen
insbesondere der Vergleichsanlage in einem Bereich, bei dem eine hormonartige Wir-
kung zu erwarten ist. Da Gemische aber durchaus eine abweichende Wirkung von der
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 25 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Summe der Einzelstoffwirkungen zeigen können, hat ein direkter Test der endokrinen
Wirkung eine größere Aussagekraft.
Die Abläufe der Vergleichsanlage und der Membrananlagen wurde daher in Kooperati-
on mit Dr. Körner, Universität Tübingen, und Dr. Kloas, Universität Karlsruhe, auf estro-
genartige Gesamtaktivität getestet. Dr. Körner verwendet den sogenannten „E-Screen-
Assay“. In diesem wird die Vermehrung (Proliferation) von humanen estrogenrezeptor-
positiven Brustkrebszellen gemessen, deren Wachstum durch Bindung von Substanzen
an den Estrogenrezeptor stimuliert wird. Dr. Kloas testet die estrogenartige Wirkung an
Leberzellen des Krallenfrosches in zwei verschiedenen Testsystemen. Zum einen wird
die Bindung von hormonartigen Substanzen an den Estrogenrezeptor durch einen Ra-
diorezeptorassay gemessen. In einem zweiten Test wird die Bildung des Estrogenre-
zeptors als zugehörige m-RNA mittels der PCR-Methode nachgewiesen. Die Ergebnis-
se der beiden Tests sind in Tab. 5 dargestellt.
Tab. 5 Estrogenartige Aktivität der Kläranlagenabläufe angegeben in Estradi-ol(E2)-Äquivalenten
ng/l E2 Vergleichsanlage 14.1.1998
Wabag 14.1.1998
Vergleichsanlage 1.4.1998
Wabag 1.4.1998
Zenon 1.4.1998
E-Screen 22,2 ng/l 4,3 ng/l 24,5 ng/l 4,1 ng/l 5,7 ng/l
1. Radio-rezeptorassay 2. PCR der ER-mRNA
1900 ng/l (7,1 nmol/l)
ca. 1 µM
190 ng/l (0,7 nmol/l)
10 nM
710 ng/l (2,6 nmol/l)
100 nM
Eindeutig ist zu erkennen, daß bei allen Anlagen eine estrogenartige Wirkung meßbar
ist. Die Wirkung des von den Membrananlagen gelieferten Abwassers ist stets deutlich
niedriger als bei der Vergleichsanlage. Die großen Unterschiede in den Absolutwerten
der Testergebnisse der verschieden Verfahren scheinen auf den ersten Blick überra-
schend. Dies liegt jedoch in der unterschiedlichen Empfindlichkeit der verschiedenen
Tests auf die Referenzsubstanz 17β-Estradiol begründet. Beim E-Screen wird die Bin-
dung an einen Rezeptor gemessen, wobei das Estradiol sehr empfindlich nachgewie-
sen wird. Die Tests mit den Leberzellen zum Nachweis der m-RNA-Bildung kommen
einem lebenden System einen Schritt näher. Das Estradiol wird in den Zellen sehr
schnell abgebaut, so daß es nur mit geringer Empfindlichkeit bestimmt wird. Xe-
noestrogene hingegen werden nicht so schnell von den Leberzellen abgebaut und wer-
den daher mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 26 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Die Kombination von niedrigen Werten im E-Screen und hohen Werten im Estrogen-
rezeptornachweis in Leberzellen läßt daher schließen, daß die im Abwasser der Im-
menstaader Anlagen gemessene estrogenartige Aktivität weniger von den natürlichen
Hormonen als durch künstliche Hormone bzw. Xenoestrogene hervorgerufen wurde.
Eine höhere Aussagekraft hinsichtlich einer estrogenartigen Wirkung in der Umwelt ha-
ben Tests mit Lebewesen. Dr. Kloas hat die Geschlechtsdifferenzierung am Krallen-
frosch untersucht. Hierzu wurden die Kaulquappen bei verschiedenen Konzentrationen
endokrin wirksamer Substanzen aufgezogen und das Geschlecht der entwickelten Frö-
sche bestimmt. Diesen Untersuchungen zufolge haben die im Ablauf der Immenstaader
Anlagen gemessenen Estradiol-Äquivalentkonzentrationen eine Wirkung, bei der eine
Überschußentwicklung von 50 - 75 % an weiblichen Fröschen im Vergleich zu nur 40 %
in der unbelasteten Kontrollgruppe zu erwarten ist.
5 Methoden und Daten
5.1 Probenahme
Probenahme wurde von Mitarbeitern der Abteilung Abwassertechnik in Form einer qua-
lifizierten Stichprobe durchgeführt. Die Behälter aus Polyethylen (Schwermetalle, AOX,
EDTA) bzw. Glas wurden von der Abteilung Chemie zur Verfügung gestellt. Die Proben
wurden soweit möglich bereits in Immenstaad gekühlt und in Kühltaschen transportiert.
Die Probenkonservierung erfolgte entsprechend den Analysenverfahren.
5.2 Analysenverfahren
5.2.1 Verwendete DIN-Verfahren
Metalle
TS von Schlämmen
GV von Schlämmen
AOX von Schlämmen
AOX von Flüssigkeiten
MBAS
DIN 38 406 E22 (Hg DIN 38406 E12 Teil 1) Aufschluß mit HNO3 und H2O2
DIN 38 414 S2
DIN 38 414 S3
DIN 38 414 S18
DIN-EN ISO 1485
DIN 38 409 H23
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5.2.2 EDTA-Bestimmung
Die Proben wurden mit einem Faltenfilter filtriert und bis zur Analyse mit 1 ml/l einer
30 %igen Formalinlösung konserviert. EDTA wurde mit einem Überschuß an Ei-
sen(III)ionen umkomplexiert und der Fe-EDTA-Komplex mittels HPLC quantitativ nach-
gewiesen.
5.2.3 Bestimmung des Gesamtphosphors
20 - 30 mg Trockensubstanz wurden eingewogen, mit Aufschlußsäure (3 g Natrium-
molybdat · 2 H2O, 25 ml konz. Schwefelsäure und 40 ml 70%ige Perchlorsäure pro
100 ml) versetzt und bei 180°C aufgeschlossen. Nach einem Verdünnungsschritt wur-
den die Proben mit einer Lösung von 0,6 g Natriumacetat und 0,48 g Ascorbinsäure-
lösung angefärbt und bei 750 nm photometrisch bestimmt.
5.2.4 Proteinbestimmung (modifizierte Methode nach Lowry)3
5 ml einer 0,5 M NaOH und 0,5 %igen Natriumdodecylsulfat (SDS) Lösung wurden zu
0,5 ml Originalprobe bzw. zu einer verdünnten Probe pipettiert. Das Gemisch wurde
30 min bei 80°C geschüttelt und nach kurzer Abkühlzeit zentrifugiert. Der Überstand
wurde abdekantiert und der Rückstand erneut mit 5 ml NaOH/SDS-Lösung extrahiert.
Von den vereinten Überständen wurde 1 ml abpipettiert und mit 5 ml einer Lösung von
20 g Natriumcarbonat, 200 mg Natriumtartrat und 200 mg CuSO4 · 2 H2O pro Liter ver-
setzt. Nach 10 min Reaktionszeit wurde 0,5 ml Folin-Cialteus-Phenolreagenz (1:1 ver-
dünnt in Wasser) zugegeben. Nach 45 min wurde der Proteingehalt bei 720 nm photo-
metrisch bestimmt.
5.2.5 Bestimmung der nicht-abbaubaren, nicht-membrangängigen Substanzen
Je 1 g getrockneter Schlamm wurde mit 50 ml 6 N Schwefelsäure 8 Stunden unter
Rückfluß gekocht. Nach Einstellen auf pH 7,5 (NaOH) wurde durch einen Membranfilter
filtriert und mit 50 ml Wasser nachgespült. Der Rückstand wurde anschließend getrock-
net.
3 Die Proteinbestimmung wurde von der Abteilung Biologie durchgeführt.
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5.2.6 Bestimmung der Arzneimittel
Nach Filtration der je 4 x 1 Liter Probe über einen Glasfilter wurde der pH-Wert mit KOH
auf pH 12 eingestellt und mit Arzneimittelstandards aufgestockt. Um das Ausfällen von
Carbonaten zu verhindern, wurden die Proben zuvor mit EDTA versetzt. Nach Fest-
phasenextraktion auf C18-Kartuschen und Einengen der Eluate im Stickstoffstrom wur-
den die Arzneimittel mit GC-MS bestimmt.
5.2.7 Bestimmung der endokrin wirksamen Substanzen
4 x 1 Liter Probe wurden nach Filtration über einen 45 µm Glasfilter mit Schwefelsäure
auf pH 2 eingestellt, mit internem Standard versetzt und mit Standards aufgestockt.
Nach Festphasenextraktion auf C18-Kartuschen und Elution mit Ethylacetat, Einengen
der Eluate in der Vakuumzentrifuge und anschließender Derivatisierung durch Silylie-
rung erfolgte die Bestimmung mit GC-MS.
5.3 Analysenergebnisse in Tabellenform
5.3.1 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 1 - 4
Tab. 6 Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) im belebtem Schlamm (1997)
AOX (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 117 119 105 186 114 154
Wabag 393 363 195 196
Zenon 391 271 216 157
AOX (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 132,5 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
70 mg/kg TS
Wabag 286,8 216% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
110 mg/kg TS
Zenon 258,8 195% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
170 mg/kg TS
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Tab. 7 Schwermetalle im belebtem Schlamm (1997)
Blei
Pb (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 53 31 29 33 28 30
Wabag 53 66 35 35
Zenon 45 46 40 30
Pb (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 34,0 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
32 mg/kg TS
Wabag 47,3 139% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
44 mg/kg TS
Zenon 40,3 118% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
65 mg/kg TS
Cadmium
Cd (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 1,2 1,1 1,1 1,7 0,9 1,1
Wabag 2 2,5 1,2 1,3
Zenon 1,7 1,7 1,3 1,2
Cd (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 1,2 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
0,7 mg/kg TS
Wabag 1,8 148% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
1,1 mg/kg TS
Zenon 1,5 125% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
1,8 mg/kg TS
Chrom
Cr (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 32 25 26 27 20 21
Wabag 50 63 28 28
Zenon 32 37 31 19
Cr (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 25,2 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
32 mg/kg TS
Wabag 42,3 168% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
34 mg/kg TS
Zenon 29,8 118% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
36 mg/kg TS
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Kupfer
Cu (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 190 194 166 207 167 194
Wabag 310 372 206 240
Zenon 290 355 304 178
Cu (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 186,3 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
204 mg/kg TS
Wabag 282,0 151% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
288 mg/kg TS
Zenon 281,8 151% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
255 mg/kg TS
Nickel
Ni (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 132 116 111 96 74 74
Wabag 57 51 57 49
Zenon 41 42 35 40
Ni (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 100,5 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
24 mg/kg TS
Wabag 53,5 53% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
23 mg/kg TS
Zenon 39,5 39% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
25 mg/kg TS
Quecksilber
Hg (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 0,7 0,35 1,1 0,85 1,2 0,72
Wabag 0,5 0,6 0,67 0,66
Zenon 0,2 0,17 0,72 0,68
Hg (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 0,82 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
0,3 mg/kg TS
Wabag 0,61 74% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
1,1 mg/kg TS
Zenon 0,44 54% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
0,31mg/kg TS
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 31 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Zink
Zn (mg/kg TS) 10.07.1997 14.08.1997 15.09.1997 27.10.1997 27.11.1997 10.12.1997
Vergleichsanlage 770 571 548 774 587 611
Wabag 1120 969 718 701
Zenon 1010 1002 1081 736
Zn (mg/kg TS) Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 643,5 100% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 15.04.1997
533 mg/kg TS
Wabag 877,0 136% Klärschlammuntersuchung Immen-staad 30.01.1998
800 mg/kg TS
Zenon 957,3 149% Klärschlammuntersuchung Hatten-weiler 12.03.1997
1107 mg/kg TS
Tab. 8 Polychlorierte Biphenyle (PCB) im belebtem Schlamm (1997)4
PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe
Vergleichsanlage 10.07.97 < 5 < 5 8 15 15 10 48
Zenon 10.07.1997 < 5 5 10 20 20 16 66
Vergleichsanlage 14.08.97 < 5 < 5 6 14 15 13 48
Wabag 14.08.1997 < 5 10 14 23 23 13 73
Vergleichsanlage 27.10.97 < 5 < 7 10 15 14 9 48
Zenon 27.10.1997 < 5 < 5 5 13 11 9 38
Vergleichsanlage 27.11.97 < 5 < 5 5 11 8 11 35
Wabag 27.11.1997 < 5 < 5 6 12 10 9 37
Zenon 27.11.1997 < 5 < 5 8 16 15 10 49
Tab. 9 PCB-Gehalt im Klärschlamm der Kläranlage Immenstaad 15.04.19972
PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe
Klärschlamm Immenstaad 5 5 10 24 29 16 89
4 Die Analysen wurden vom Institut Dr. Jäger, Tübingen durchgeführt.
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 32 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Tab. 10 Voruntersuchungen im Ablauf der Vergleichsanlage
Nachgewiesene Arzneimittel Carbamazepin Diclofenac Clofibrinsäure
Endokrin wirksame Substanzen Estron Estradiol Mestranol Ethinylestradiol Dibutylphtalat (DBP) Benzylbutylphtalat (BBP) Bisphenol A
3,5 ng/l 2 ng/l
n.n. < 2 ng/l 163 ng/l
27 ng/l 56 ng/l
Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) n.n. (< 20 µg/l)
5.3.2 Analysenergebnisse der Versuchsabschnitte 5, 6
Tab. 11 Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) im belebtem Schlamm (VA 5, 6; 1998)
AOX (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 130 117 129 125,3 100%
Wabag 213 242 232 229,0 183%
Zenon 144 149 144 145,7 116%
Tab. 12 Schwermetalle im belebtem Schlamm (VA 5, 6; 1998)
Blei
Pb (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 30 33 40 34,3 100%
Wabag 35 41 51 42,3 123%
Zenon 33 48 51 44,0 128%
Cadmium
Cd (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 1,2 1,0 1,5 1,3 100%
Wabag 2 1,6 1,8 1,8 144%
Zenon 2,5 1,7 1,4 1,9 149%
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 33 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Chrom
Cr (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 24 27 32 27,7 100%
Wabag 70 88 80 79,3 287%
Zenon 44 47 44 45,0 163%
Kupfer
Cu (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 215 195 215 208,3 100%
Wabag 235 256 286 259,0 124%
Zenon 229 245 289 254,3 122%
Nickel
Ni (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 21 21 20 20,7 100%
Wabag 21 24 22 22,3 108%
Zenon 20 22 20 20,7 100%
Quecksilber
Hg (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 0,5 <0,65 <0,6 n.a. n.a.
Wabag 0,73 0,82 0,86 0,8 n.a.
Zenon 0,63 0,73 0,66 0,7 n.a.
Zink
Zn (mg/kg TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 673 542 729 648,0 100%
Wabag 784 754 798 778,7 120%
Zenon 881 820 904 868,3 134%
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 34 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Tab. 13 Polychlorierte Biphenyle (PCB) im belebtem Schlamm (VA 5, 6; 1998)
PCB (µg/kg TS) PCB 28 PCB 52 PCB 101 PCB 138 PCB 153 PCB 180 Summe
Vergleichsanlage 02.03.98 <5 <5 5 18 15 13 51
Zenon 02.03.1998 <5 <5 7 18 14 11 50
Vergleichsanlage 01.04.98 <5 7 8 11 10 10 46
Zenon 01.04.1998 <5 <5 7 14 13 9 43
Vergleichsanlage 07.05.98 <5 <5 8 18 15 15 56
Wabag 07.05.1998 <5 <5 6 12 12 7 37
Zenon 07.05.1998 <5 <5 <5 7 7 4 18
Tab. 14 Adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX) im Ablauf
AOX (µg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 21 29 43 31,0 100%
Wabag 16 22 30 22,7 73%
Zenon 26 29 39 31,3 101%
Tab. 15 Schwermetalle im Ablauf
Blei
Pb (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage <0,050 <0,050 <0,050
Wabag <0,050 <0,050 <0,050
Zenon <0,050 <0,050 <0,050
Cadmium
CD (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage <0,025 <0,025 <0,025
Wabag <0,025 <0,025 <0,025
Zenon <0,025 <0,025 <0,025
Chrom
Cr (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage <0,020 <0,020 <0,020
Wabag <0,020 <0,020 <0,020
Zenon <0,020 <0,020 <0,020
Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Seite 35 Membranfiltration Immenstaad Schlußbericht Teil 2
Kupfer
Cu (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage <0,020 <0,020 <0,020
Wabag <0,020 <0,020 <0,020
Zenon <0,020 <0,020 <0,020
Nickel
Ni (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage <0,030 <0,030 <0,030
Wabag <0,030 <0,030 <0,030
Zenon <0,030 <0,030 <0,030
Quecksilber
Hg (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage <0,00025 <0,00025 <0,00025
Wabag <0,00025 <0,00025 <0,00025
Zenon <0,00025 <0,00025 <0,00025
Zink
Zn (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998
Vergleichsanlage 0,040 0,029 0,029
Wabag 0,032 <0,025 0,051
Zenon 0,033 <0,025 0,046
Tab. 16 Anorganische Ionen im belebtem Schlamm
Kaliumoxid
K2O (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 0,76 0,92 0,85 0,8 100%
Wabag 0,92 0,91 0,93 0,9 109%
Zenon 1,10 1,20 1,20 1,2 138%
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Calciumoxid
CaO (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 5,9 7,9 8,06 7,3 100%
Wabag 5,2 6,0 5,99 5,7 79%
Zenon 4,2 6,0 6,05 5,4 74%
Magnesiumoxid
MgO (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 0,87 1,21 1,22 1,1 100%
Wabag 0,73 0,89 0,94 0,9 78%
Zenon 0,83 0,93 0,97 0,9 83%
Tab. 17 Untersuchungen zur Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen
Phosphor
P2O5 (% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 6,71 6,43 6,37 6,5 100%
Wabag 6,32 6,05 5,77 6,0 93%
Zenon 6,48 6,27 6,23 6,3 97%
Trockensubstanz
(%) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 0,45 0,38 0,40 0,4 100%
Wabag 2,29 1,72 1,78 1,9 471%
Zenon 2,15 2,14 2,12 2,1 521%
Glühverlust
(% TS) 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 70,0 53,9 55,5 59,8 100%
Wabag 70,1 67,1 68,3 68,5 115%
Zenon 70,3 68,0 68,3 68,9 115%
Proteingehalt nach Lowry
mg/l 02.03.1998 01.04.1998 07.05.1998 Mittelwert rel. Prozent
Vergleichsanlage 980 924 780 894,7 100%
Wabag 6810 5738 4958 5835,3 652%
Zenon 8690 7809 5301 7266,7 812%
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Tab. 18 Methylenblauaktive Substanzen im Ablauf
MBAS (mg/l) 02.03.1998 01.04.1998
Vergleichsanlage <0,2 mg/l <0,2 mg/l
Wabag <0,2 mg/l <0,2 mg/l
Zenon <0,2 mg/l <0,2 mg/l
Tab. 19 Arzneimittel und Stickstoffheterozyclen im Ablauf
(ng/l) Coffein Carbamazepin Propyphenazon Primidon
Vergl. 02.03.1998 675 448 17 130
Wabag 02.03.1998 69 489 n.n. n.n.
Zenon 02.03.1998 192 214 n.n. n.n.
Vergl. 01.04.1998 800 622 54 n.n.
Wabag 01.04.1998 81 514 n.n. n.n.
Zenon 01.04.1998 96 505 n.n. n.n.
(ng/l) Dihydrocodein Hydrocodon Pentoxyfyllin
Vergl. 02.03.1998 420 n.n. 69
Wabag 02.03.1998 293 n.n. n.n.
Zenon 02.03.1998 309 n.n. n.n.
Vergl. 01.04.1998 n.n. n.n. 173
Wabag 01.04.1998 n.n. n.n. n.n.
Zenon 01.04.1998 n.n. n.n. n.n.
(ng/l) Benzothiazol Diethyltoluolamid Methylbenzothiazol Crotamiton
Vergl. 02.03.1998 178 28 320 11
Wabag 02.03.1998 26 8 29 n.n.
Zenon 02.03.1998 26 10 95 n.n.
Vergl. 01.04.1998 462 182 530 n.n.
Wabag 01.04.1998 36 20 52 n.n.
Zenon 01.04.1998 17 27 182 n.n.
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Tab. 20 Endokrin wirksame Substanzen im Ablauf
(ng/l) Estron Estradiol Mestranol Ethynylestradiol
Vergleichsanlage 14.01.1998 n.a. 5,3 <2 4,4
Wabag 14.01.1998 4,8 2,6 n.n. <2
Vergleichsanlage 01.04.1998 16,2 2,2 <2 <2
Wabag 01.04.1998 2 <2 n.n. n.n.
Zenon 01.04.1998 <2 <2 n.n. n.n.
Vergleichsanlage 07.05.1998 n.a. 4,3 2,6 3,8
Wabag 07.05.1998 2,8 2 <2 <2
Zenon 07.05.1998 7,2 <2 2,1 <2
(ng/l) Bisphenol A Benzylbutylphtalat Di-n-butylphtalat
Vergleichsanlage 14.01.1998 653,6 72,8 618
Wabag 14.01.1998 29,3 70,7 n.a.
Vergleichsanlage 01.04.1998 597,7 52 1671
Wabag 01.04.1998 16,1 15,8 39,2
Zenon 01.04.1998 12,8 19,3 155,6
Vergleichsanlage 07.05.1998 507 82,7 800,8
Wabag 07.05.1998 20,4 25,5 154,1
Zenon 07.05.1998 10 18,8 70,4
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6 Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Projektes wurde im Zeitraum von Juli 1997 bis Mai 1998 der belebte
Schlamm und von Januar bis Mai 1998 auch der Ablauf der Membrananlagen der Fir-
men Wabag und Zenon untersucht. Zum Vergleich wurden jeweils auch Proben der
Kläranlage Immenstaad (Vergleichsanlage) genommen.
Es gab drei Schwerpunkte der Untersuchungen, deren Ergebnisse im folgenden zu-
sammengefaßt werden:
• Untersuchungen zur Anreicherung anorganischer und organischer Schad-
stoffe im belebtem Schlamm
In Anlehnung an die Klärschlammverordnung wurde der belebte Schlamm auf die Ge-
halte von adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen (AOX), Schwermetallen
und polychlorierten Biphenylen (PCB) untersucht. Da der aus Hattenweiler stammende
Schlamm der Membrananlagen höher mit AOX und Schwermetallen belastet war als
der Schlamm aus Immenstaad, war im Laufe des Jahres 1997 eine Abnahme der Ge-
halte auf annähernd das Niveau der Vergleichsanlage meßbar. Die 1998 gemessenen
Mengen von AOX und Schwermetallen im belebtem Schlamm der Membrananlagen
waren zwar geringfügig höher als die Gehalte der Vergleichsanlage, lagen aber meist
weit unter den Höchstwerten der Klärschlammverordnung für Klärschlamm. Insgesamt
war der belebte Schlamm in Immenstaad niedrig mit AOX und Schwermetallen be-
lastet. Die PCB-Gehalte waren über den gesamten Untersuchungszeitraum nahezu
konstant niedrig in allen drei Anlagen.
Die Untersuchung der Nährstoffe Phosphat, Kalium, Calcium und Magnesium im beleb-
tem Schlamm der Membrananlagen ergab ebenfalls keine signifikanten Abweichungen
von dem belebten Schlamm der Vergleichsanlage.
• Untersuchungen zur Anreicherung nicht-membrangängiger Substanzen
Im belebtem Schlamm der Membrananlagen wurde die Anreicherung anorganischer
und organischer schwer abbaubarer nicht-membrangängiger Substanzen untersucht.
Insgesamt konnte keine Akkumulation signifikanter Mengen nicht-membrangängiger
Substanzen festgestellt werden.
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• Untersuchungen zur Elimination umweltrelevanter Schadstoffe im Ablauf
Zur Untersuchung der Ablaufqualität wurden ausgewählte Arzneimittel, stickstoff-
organische Verbindungen und endokrin wirksame Substanzen im Ablauf quantifiziert.
Außerdem wurden Tests auf endokrine Wirkung durchgeführt.
Die gefundenen Konzentrationen der Vergleichsanlage entsprechen denen einer durch-
schnittlichen kommunalen Kläranlage. Die gefundene hormonartige Wirkung liegt in
einem Bereich, bei dem Auswirkungen auf die Biosphäre zu erwarten sind.
Die Ablaufkonzentrationen der Membrananlagen liegen bei allen untersuchten Sub-
stanzen meist deutlich unter denen der Vergleichsanlage. Die Gehalte der Membran-
anlagen lagen bei ca. 5 - 90 % der Konzentration im Ablauf der Vergleichsanlage. Eine
Veränderung der Eliminationseigenschaften der Membrananlagen bei Erhöhung des
Schlammalters konnte nicht festgestellt werden.
Es konnte im Rahmen dieses Projektes nicht geklärt werden, ob sich die erniedrigten
Ablaufwerte durch Adsorbtion an den belebten Schlamm oder durch verbesserten Ab-
bau in den Membrananlagen ergeben haben. Es wurde ebenfalls nicht geklärt, inwie-
weit die geringeren Konzentrationen der untersuchten Stoffe im Ablauf der Membranan-
lagen durch die niedrigere Schlammbelastung verglichen mit der Vergleichsanlage her-
vorgerufen wurden.