Die Reinigung von Abwasser in Kläranlagen ist für den Schutz von Umwelt und Gesundheit unerlässlich und muss strenge Qualitätsvorgaben erfüllen. Dazu zählt der zulässige Gehalt an Kohlenstoff oder Stickstoff vor dem Einleiten des geklärten Wasser in Gewässer. Organische Stoffe wie Kohlenstoff werden zuverlässig biologisch abgebaut. Konventionelle Kläranlagen stoßen allerdings bei der Entfernung von Stoffen wie Medikamentenrückständen, Hormonen, multiresistenten Keimen, Viren und Mikroplastik an ihre Grenzen.
Aus diesem Grund forscht die Hochschule Osnabrück aktuell gemeinsam mit der MANN+HUMMEL Water & Fluid Solutions GmbH an speziellen Membranmodulen, die in Membranbelebungsreaktoren eingesetzt werden sollen. „Dieser Prozess bietet viele Vorteile. Neben einer sehr hohen Ablaufqualität des geklärten Wassers und einem geringeren Flächenbedarf in den Kläranlagen werden zuverlässig Bakterien, Viren, Mikroplastik und teilweise Medikamentenrückstände zurückgehalten“, sagt Prof. Dr. Sandra Rosenberger.
Abwasserreinigung: Mehrstufiger Prozess für sauberes Wasser
Die Abwasserreinigung erfolgt klassischerweise in mehreren Stufen. Zuerst werden grobe Feststoffe entfernt, gefolgt von der biologischen Reinigung in Belebungsbecken. Dort bauen Mikroorganismen organische Stoffe ab. Anschließend müssen diese Mikroorganismen vom gereinigten Wasser getrennt werden. In konventionellen Kläranlagen geschieht dies durch Sedimentation in Nachklärbecken, wo sich die Mikroorganismen mithilfe der Schwerkraft absetzen und das geklärte Wasser darüber abgeleitet wird.
Alternativ können jedoch anstelle der Nachklärbecken auch Membranmodule eingesetzt werden. Dabei übernehmen poröse Membranen die Aufgabe, Mikroorganismen und kleinste Partikel wie Bakterien oder Mikroplastik effektiv zurückzuhalten und vom gereinigten Abwasser abzuscheiden.
Kosten senken und technische Probleme lösen
„Obwohl Membranbelebungsreaktoren bereits seit den 1990er-Jahren diskutiert werden, kommen sie bisher nur dort zum Einsatz, wo extrem hohe Anforderungen an die Wasserqualität gestellt werden oder der Platz für große Nachklärbecken oder Anlagenerweiterungen nicht vorhanden ist. Grund dafür sind die vergleichsweise hohen Kosten“, so Rosenberger. „Neben den Kosten gibt es aber auch technische Herausforderungen: Die feinen Membranen setzen sich leicht mit Schlammpartikeln zu und müssen daher regelmäßig mechanisch und chemisch gereinigt werden.“
Um das Membranverfahren wirtschaftlicher und energieeffizienter zu gestalten, arbeitet die Hochschule Osnabrück mit dem Membranhersteller MANN+HUMMEL zusammen. Eine zentrale Herausforderung dabei ist die Vermeidung von Ablagerungen auf den Membranen und die damit verbundene Reduktion des Energieverbrauchs für die notwendige Belüftung. In aktuellen Untersuchungen nutzt das Projektteam Zirkulationsströmungen durch Luftblasen, um diese Ablagerungen zu minimieren. Ziel ist die Optimierung der Strömungsführung und Belüftung, um das gesamte Verfahren effizienter zu machen. Für die erforderlichen Versuche steht den Forschenden ein großes neun Kubikmeter fassendes Glasbecken zur Verfügung, in das die Membranmodule eingesetzt werden.
Kooperation Wirtschaft und Hochschule: Forschung beschleunigen
„Die Expertise und technische Ausrüstung an der Hochschule Osnabrück ermöglicht uns eine detaillierte Untersuchung unterschiedlicher Modulkonfigurationen und Belüftungssysteme. Weiterhin erlaubt das Glasbecken die Strömungen und Luftblasen innerhalb des Reaktors zu visualisieren. Dies ist im realen Betrieb auf der Kläranlage nicht möglich, für die Forschung jedoch ein erheblicher Mehrwert“, sagt Andreas Fischer.