Weitergehende Behandlung von Kläranlagenablauf mittels Vorwärtsosmose

Abstract

Organische Spurenstoffe, zum Beispiel pharmazeutische Produkte, Haushalts- und Industriechemikalien, Kosmetikprodukte, Pestizide oder Hormone, liegen in einem Konzentrationsbereich von ng/l bis μg/l im kommunalen Abwasser vor. Diese organischen Spurenstoffe werden in der biologischen Abwasserreinigung nicht ausreichend abgebaut und können potenziell negative Folgewirkungen auf die Umwelt haben. Organische Spurenstoffe können durch weitergehende Reinigungsprozesse, wie zum Beispiel Adsorption, Ozonung und Membranfiltration entfernt werden. Die Hauptentfernungsmechanismen der Membranfiltration sind der Siebeffekt, die Adsorption und die elektrostatische Abstoßung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Aquaporin Vorwärtsosmose-Modul (Aquaporin A/S, Dänemark) getestet. Bei der Vorwärtsosmose ist die treibende Kraft der osmotische Druck und nicht der hydraulische Druck wie bei den etablierten Membrantechnologien wie der Umkehrosmose. In fünf Versuchsreihen wurden der Einfluss der Betriebsparameter und verschiedener Zuglösungen auf den Transmembranfluss, der Rückhalt von organischen Spurenstoffen, die Aufkonzentrierung von Nährstoffen und das Verhalten des Membranmoduls im Dauerbetrieb untersucht. Die Betriebsparameter Temperatur und Konzentration der Zuglösung hatten einen großen Einfluss auf den Transmembranfluss. Der Flux stieg um 81% bei Erhöhung der Temperatur von 11,5°C auf 30°C Bei Erhöhung der Konzentration von 0,5 mol/l auf 1 mol/l wurde ein Anstieg des Wasserflusses von 46% beobachtet. Die Änderung der Durchflussraten von Feed- und Zuglösung hatten hingegen nur geringe Auswirkung auf den Transmembranfluss. Bei den Versuchen mit unterschiedlichen Zuglösungen konnte gezeigt werden, dass der osmotische Druck die treibende Kraft bei dem Prozess ist. Für fast alle organischen Spurenstoffe konnte ein Rückhalt von >90% erreicht werden. Die schlechteste Rückhaltsrate wies Benzotriazol auf. Benzotriazol hat das niedrigste Molekulargewicht der getesteten Stoffe, was zeigt, dass der Siebeffekt der entscheidende Entfernungsmechanismus bei der Vorwärtsosmose ist. Bei der Aufkonzentrierung der Nährstoffe wurden unterschiedliche Ergebnisse erzielt. Für Nitrat (NO3), Nitrit (NO2) und den gesamten organischen Kohlenstoff (TOC) konnte eine hohe Aufkonzentrierung erreicht werden. Bei Ammonium ist erkennbar, dass dieser Stoff aufgrund des geringen Molekulargewichtes die Membran passiert und daher nicht aufkonzentriert wird. Im Dauerversuch stellte sich heraus, dass mit zunehmender Laufzeit der Transmembranfluss signifikant abnahm. Auch der Rückhalt von organischen Spurenstoffen sank, wobei der Rückhalt für die meisten Stoffe immer noch >85% war.

Organic micropollutants like pharmaceutical products, household and industrial chemicals, cosmetics, pesticides, or hormones, are present in concentrations of ng/l to μg/l in urban wastewater. These organic micropollutants are insufficiently removed in biological wastewater treatment and can affect the environment. Organic micropollutants can be removed by adsorption processes, ozonation and membrane filtration. The main retention mechanisms of membrane filtration are the sieve effect, adsorption, and electrostatic repulsion. This work assessed the performance of a biometric aquaporin forward osmosis membrane module (Aquaporin A/S, Denmark) during wastewater treatment. In forward osmosis, the driving force is osmotic pressure rather than hydraulic pressure as in established membrane technologies such as reverse osmosis. Five series of experiments were conducted to investigate the influence of operating parameters and different draw solutions on the transmembrane flux, the retention of organic trace substances, the concentration of nutrients and the behavior of the membrane module in long term operation. The operating parameters of temperature and concentration of the draw solution had a significant effect on the transmembrane flux. The flux increased by 81% when the temperature increased from 11.5°C to 30°C. A draw solution concentration increase from 0.5 mol/l to 1 mol/l, caused approximately 46% increase in water flux. On the contrary, changing the flow rates of feed and draw solution had little effect on the transmembrane flux. The experiments with different draw solutions showed that osmotic pressure was the driving force in the process.Retention of >90% could be achieved for almost all organic trace compounds. Benzotriazole showed the poorest removal performance. Benzotriazole has the lowest molecular weight of the tested substances, therefore the sieve effect could be identified as the essential retention mechanism of forward osmosis. Different results were obtained for the concentration of nutrients. For nitrate (NO3), nitrite (NO2) and total organic carbon (TOC) a high concentration could be achieved. In the case of ammonium, this substance passes the membrane due to its low molecular weight and is therefore not concentrated. In the long term test, it was found that the transmembrane flux decreased significantly with increasing run time. The retention of organic micropollutants also decreased, although the retention for most substances was still >85% in average