SBR und MBR: Eine nachhaltige technische Alternative

Ein Sequencing-Batch-Reaktor (SBR) ist ein biologisches Abwasserbehandlungssystem mit Belebtschlamm, dessen Hauptmerkmal darin besteht, dass alle für die Behandlung erforderlichen Prozesse nacheinander im selben Reaktor durchgeführt werden.

Diese Art von Verfahren hat gewisse Vorteile, weshalb sie seit Jahrzehnten in vielen Industrieanlagen eingesetzt wird. Einer der Hauptvorteile dieser Verfahren besteht darin, dass sie keine hohen Investitionen erfordern und mäßig niedrige Betriebskosten verursachen. Dennoch weist ein SBR mehrere Einschränkungen auf, wie z. B. seine Diskontinuität, die Notwendigkeit eines vorherigen Speichertanks, die Unfähigkeit, eine ausreichend hohe Abwasserqualität zur Einhaltung der Abflussgrenzwerte zu erreichen, und die geringe Betriebsstabilität, die sehr empfindlich auf Last und Durchfluss reagiert Variationen. Ein weiteres wesentliches Merkmal dieser Art von Verfahren ist die Tatsache, dass die Trennung des Schlamms vom gereinigten Wasser durch Sedimentation im Reaktor selbst erfolgt, sodass das Verfahren in hohem Maße von der Sedimentierbarkeit des biologischen Schlamms abhängt. Es besteht daher ein hohes Risiko einer Aufblähung, die zu einem Verlust an aktiver Biomasse führt und negative Auswirkungen auf die Abflussqualität hat.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf MBR-Technologien mit externen Membranen.

Die Hauptvorteile des MBR sind sein kompaktes Design, die einfache und hochautomatisierte Bedienung, sein geringer Platzbedarf und die geringen erforderlichen biologischen Volumina. Durch hochspezialisierte Mikroorganismen und eine hohe feststofffreie Austragsqualität bieten die Anlagen eine hohe Prozessstabilität auch bei Belastungsschwankungen. Der Grund hierfür ist die sichere Rückhaltung der aktiven Biomasse mithilfe von Ultrafiltrationsmodulen.

Im Gegensatz dazu erfordern MBR-Verfahren in der Regel höhere Investitionen als andere Wasseraufbereitungstechnologien.

Bei der Auswahl einer bestimmten Behandlungstechnologie müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Zulaufeigenschaften des Abwassers, die erforderliche Abflussqualität, der zur Verfügung stehende Platz und die für den Auftraggeber akzeptablen Investitionskosten.

Basierend auf diesen Überlegungen hat jede Technologie ihre entsprechenden Anwendungen und Marktnischen. Die wesentlichen technischen Unterschiede zwischen SBR und MBR, die die Auswahl der geeigneten Technologie ermöglichen, sind folgende:

Prozesseigenschaften: Das SBR-System ist ein diskontinuierlicher Prozess (Batch-Prozess), der mit Biomassekonzentrationen unter 5 g/l MLSS arbeitet, um eine ordnungsgemäße Sedimentation und übliche Tankhöhen von bis zu 6 m sicherzustellen. Beim MBR hingegen handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess (Betrieb 24/7), der mit Konzentrationen von bis zu 25 g/l MLSS und Tankhöhen von bis zu 10 m arbeitet, da die Trennung durch Membranen und nicht durch erfolgt Sedimentation. Aufgrund dieser Unterschiede erfordern MBR-Prozesse kleinere biologische Volumina und Stellflächen als SBR-Prozesse.

Abwasserqualität: Das Abwasser eines MBR ist völlig frei von Schwebstoffen, da die Ultrafiltration eine physikalische Barriere darstellt. Aufgrund dieser Tatsache sind die Mikroorganismen auch stärker spezialisiert (höheres Schlammalter), wodurch ein hoher chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und eine hohe Stickstoffeliminationsrate erreicht werden können. Generell erzielen MBR-Verfahren deutlich höhere Abwasserqualitäten als SBR-Verfahren (CSB 50–60 % niedriger als bei SBR-Verfahren unter gleichen Bedingungen und Stickstoffkonzentrationen unter 10 mg/l). Was die Denitrifikationsraten betrifft, so ist zwar die Nitratkonzentration des Abwassers bei beiden Technologien vergleichbar, beim SBR besteht jedoch aufgrund der Kombination aus hohen Ammoniumkonzentrationen und hohen pH-Werten während der anoxischen Denitrifikation ein höheres Risiko einer Hemmung des biologischen Prozesses als beim MBR Phase.

Produktion von Überschussschlamm: Aufgrund der höheren Biomassekonzentration und des Schlammalters ist die Menge an Überschussschlamm, die bei einem MBR-Verfahren anfällt, deutlich geringer als bei einem SBR-Verfahren.

Prozessstabilität: SBR-Prozesse reagieren wesentlich empfindlicher auf Schwankungen in der Abwasserzusammensetzung, die häufig zu Veränderungen der Biomasse führen, die Sedimentation beeinträchtigen und in der Folge zu einem Biomasseverlust und einer Verschlechterung der Abflussqualität führen. Das MBR-Biomassetrennsystem mit Membranen wird weniger von den rheologischen Eigenschaften des Schlamms beeinflusst und ermöglicht so ein hohes Maß an Anpassung an Änderungen im Zulauf, ohne den Prozess zu beeinträchtigen. Da es sich beim MBR andererseits um einen kontinuierlichen Prozess handelt, ist die Einstellung der Betriebsparameter (pH, gelöster Sauerstoff, Temperatur, Chemikaliendosierung) über die Zeit stabil und kontinuierlich, was die Anlagensteuerung und den Betrieb einfacher macht als bei einem SBR.

Energieverbrauch: Bei gleichem Abwasser ist der Energieverbrauch eines MBR im Allgemeinen höher als bei einem SBR, was vor allem auf den hohen Energiebedarf der MBR-Ultrafiltrationspumpen zurückzuführen ist. Dies wird jedoch teilweise durch die höhere Energieeffizienz der MBR-Belüftung kompensiert.

Kombination mit Nachbehandlungsschritten: Aufgrund der hohen Abwasserqualität in einem MBR und der Tatsache, dass das Abwasser völlig frei von Feststoffen ist, ist die Kombination mit verfeinernden Nachbehandlungsschritten (Salzreduktion, Recycling) einfacher und effizienter im Fall eines MBR-Prozesses als im Fall eines SBR-Prozesses.

In manchen Fällen reicht das installierte SBR-Verfahren nicht aus, um die geforderten Behandlungsziele zu erreichen. Es gibt verschiedene mögliche Gründe: Veränderungen der Eigenschaften des tatsächlichen Abwassers im Vergleich zu denen, die in der Planung berücksichtigt wurden (Konzentrationen, Durchflussmenge), Änderung der Abflussanforderungen, falsche Prozessgestaltung usw.

Eine technologische Alternative zur Verbesserung ist in diesem Fall die Aufrüstung eines SBR zu einem MBR, der die Wiederverwendung eines Großteils der bestehenden Anlage ermöglicht und gleichzeitig die Ableitungsanforderungen zuverlässig, schnell und wirtschaftlich erfüllt.

Die technische Untersuchung der Anforderungen für die Umwandlung eines SBR in einen MBR ist für jede einzelne Anlage spezifisch, es müssen jedoch eine Reihe allgemeiner gemeinsamer Kriterien berücksichtigt werden:

Analyse der Ist-Zustände: Der Auftraggeber muss detaillierte Informationen über die Ist-Situation in der Anlage liefern

Detaillierte Merkmale des bestehenden Abwassers, aktuelle und/oder zukünftige Einleitungsanforderungen, spezifische Projektbeschränkungen (Platz, Höhen, Lage, Lärm, zukünftige Änderungen der Vorschriften, andere technische Überlegungen)

• Detaillierte Daten zur aktuellen SBR-Anlage (Engineering, Design, Gerätedimensionierung, Betriebsdaten)

• Gründe, warum der Kunde der Meinung ist, dass der SBR nicht den Erwartungen und Anforderungen entspricht (unzureichende Behandlungskapazität, Nichteinhaltung von Einleitungsgrenzwerten, Nichteinhaltung anderer spezifischer Vorschriften, Betriebsprobleme und -schwierigkeiten, hohe Kosten usw.)

Anhand aller gesammelten Daten muss eine detaillierte und begründete Untersuchung der spezifischen technischen Gründe für die unzureichende Funktion des SBR durchgeführt werden, zu denen typischerweise die falsche Auslegung oder Dimensionierung verschiedener Einheiten des Systems (biologisches Volumen, Belüftung, Kühlung) gehört , Nährstoffe, Programmierung usw.), die systematische Nichteinhaltung der Abflussanforderungen oder Betriebsprobleme (Balkenbildung, Schaumbildung usw.).

Basierend auf der vorherigen Analyse werden die erforderlichen Eingriffe für die Umwandlung eines SBR in einen MBR unter Wiederverwendung des größten Teils der bestehenden SBR-Anlage vorgestellt.

Eine der wesentlichen Maßnahmen zur Umwandlung eines SBR in einen MBR ist die Installation einer Ultrafiltrationseinheit mit externen Membranen zur Abtrennung von Belebtschlamm, die an den vorhandenen biologischen SBR-Reaktor angeschlossen ist, der im Wesentlichen kontinuierlich als belüfteter Nitrifikationsreaktor zur Eliminierung von Belebtschlamm betrieben wird KABELJAU. Darüber hinaus muss die Anpassung der restlichen Ausrüstung (Belüftung, Kühlung, Anoxiezonen, Reagenziendosierung, Nachbehandlungsschritte usw.) an den neuen Prozess analysiert und das Betriebssystem mit einem neuen SPS/SCADA-Programm aktualisiert werden .

Die externen Membran-Ultrafiltrationsanlagen sind sehr kompakt und werden in der Regel „fit for purpose“ vorinstalliert auf Racks oder in Standard-Seefrachtcontainern geliefert. Aus diesem Grund ist die Umwandlung eines SBR in einen MBR in der Regel ein schnelles und einfaches Projekt mit minimaler Schnittstelle zum bestehenden SBR-System.

Eine externe Ultrafiltrationseinheit benötigt nur sehr wenig Platz. Je nach Anwendungsfall besteht die Möglichkeit, eine komplette Ultrafiltrationsanlage mit einer hydraulischen Kapazität von bis zu 500 m3/d in einem handelsüblichen 40‘-Container (Länge 12 m, Breite 2,5 m) zu installieren.

Die Umwandlung eines SBR in einen MBR ist eine nachhaltige technische Alternative, mit folgenden Vorteilen und Verbesserungen gegenüber dem bestehenden SBR:

• Wiederverwendung des größten Teils des vorhandenen SBR-Systems

• Erhöhung der zu behandelnden CSB- und Stickstoffbelastung um das bis zu Fünffache, ohne dass das biologische Volumen erhöht werden muss

• Hohe Abwasserqualität (frei von Schwebstoffen, geringe CSB-Belastung, praktisch kein Ammonium), um sehr strenge Einleitungsgrenzwerte einzuhalten und die Möglichkeit der Wasserwiederverwendung zu gewährleisten

• Direkte, wirtschaftliche und effiziente Kombination mit Nachbehandlungsschritten

• Sehr kompakte Lösungen mit sehr geringem Platzbedarf

• Einfache und schnelle Installation mit minimaler Schnittstelle zwischen dem SBR und den neuen Einheiten

• Wirtschaftliche Lösung mit verbesserter Behandlungskapazität und Abflussqualität bei geringen Investitionskosten.