On the representativeness of typical fundamental membrane fouling research
Final Report Abstract
Die Abwasserreinigung in Membranbioreaktoren (MBR) besitzt gegenüber dem konventionellen Belebtschlammprozess viele Vorteile. Ihre weitere Verbreitung wird jedoch durch das Membranfouling eingeschränkt, welches die Permeabilität senkt und damit die Kosten erhöht. Die größte Energie- und Kostenersparnis kann durch Lösung dieses Problems erreicht werden, wozu die Gewinnung von Erkenntnissen über die Grundlagen des Foulings erforderlich ist. Trotz vieler Publikationen zu diesem Thema sind diverse Fragen bislang jedoch noch ungelöst. Auf der Suche nach den ursächlichen Komponenten und Betriebsbedingungen werden vielfach Laboruntersuchungen durchgeführt, bei denen die Komplexität von im MBR interagierenden Phänomenen reduziert wird. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen sind jedoch häufig inkonsistent oder gar widersprüchlich, d.h. die Übertragbarkeit von Schlussfolgerungen aus Laborversuchen ist in hohem Maße fraglich. Während solcher Experimente unter vermeintlich definierten Bedingungen können eine Reihe von Problemen und Unzulänglichkeiten auftreten, die häufig unerkannt bleiben oder denen bislang eine zu geringe Bedeutung beigemessen wird. Hier wurde der Frage nachgegangen, wie repräsentativ und reproduzierbar übliche Laboruntersuchungen sind. Zum Erreichen dieses Ziels wurden verschiedene Testzellenversuche (belüftet/unbelüftet, gelagerte und frische Medien etc.) mit unterschiedlichen Modellsubstanzen und Schlämmen durchgeführt sowie die enthaltenen polymeren Bestandteile analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass die Auswertung und Durchführung von Versuchen zu einem vermeintlich einfachen Prozess wie der Filtration einige Überraschungen bereithalten. Um aus experimentellen Ergebnissen richtige Schlussfolgerungen für die Praxis zu ziehen, ist es wichtig, sich über die Konsequenzen auch kleiner Unterschiede bewusst zu werden. Aus den Untersuchungen lassen sich folgende Regeln für „gute Laborversuche“ aufstellen: • Besonders bei hohen Durchsätzen müssen Versuche zwingend mit Belüftung durchgeführt werden. Die Testzellenausrichtung hat entscheidenden Einfluss auf das Filtrationsverhalten. • Da der Feeddruck Schwankungen unterliegt, sind mindestens zwei Drucksensoren vorzusehen, um die transmembrane Druckdifferenz (TMP) aktuell messen zu können. Sollte nur ein Sensor zur Verfügung stehen, muss der Feeddruck für die Berechnung des TMP regelmäßig korrigiert werden. Dies ist nur in Versuchen mit Filtrationspausen möglich. • Der Einfluss der Feststoffmatrix ist komplexer als angenommen und muss deshalb im Versuch unbedingt mit berücksichtigt werden. • Über einen Zeitraum von 5 h kann eine Lösung/Suspension reproduzierbare Filtrationsergebnisse liefern. Bei biologischen Suspensionen zeigt sich jedoch bereits nach wenigen Stunden eine starke Veränderung der Zusammensetzung. Besonders innerhalb der Fraktion der Kohlenhydrate scheinen große Veränderungen stattzufinden. Lösungen/Suspensionen mit nominal gleicher Konzentration zeigen u.U. abweichendes Filtrationsverhalten. Es empfiehlt sich also, mehrere Wiederholungsversuche mit frischen Medien gleicher Konzentration durchzuführen, bevor eine Aussage getroffen wird.
