Aufkonzentrierung von kommunalem Abwasser mittels Vorwärtsosmose mit dem Fokus auf Ammonium-Rückhalt

Abstract

Durch die Vorgaben strengerer Emissionsgrenzwerte und die Erweiterung um Anforderungen zur Entfernung organischer Spurenstoffe sind neue Konzepte im Bereich der kommunalen Kläranlagen notwendig. Dies zeigt sich auch in den Bestrebungen der Europäischen Kommission bei der Überarbeitung der Richtlinie zur Behandlung von kommunalem Abwasser entsprechende Anforderungen zu implementieren. Ein Kernpunkt stellt die Verringerung der in die Umwelt emittierten Mikroschadstoffe dar. Die Kosten für die Entfernung der Schadstoffe sollen die Produzenten der Stoffe im Bereich der Arzneimittel bzw. Kosmetika tragen, da sie zusammen für 92 Prozent der toxischen Belastung in Abwässern verursachend sind.In Kläranlagen kommen große Mengen unterschiedlichster Stoffströme an einem Ort zusammen. Durch die Verwendung einer immer größeren Palette an verwendeten Stoffen in der Gesellschaft kommt es zu immer komplexeren Gemischen, welche eine zunehmende Herausforderung an die Reinigung darstellen. Ziel der Abwasserreinigung ist neben dem Abbau der CSB Fracht auch die Entfernung von Schadstoffen/Nährstoffen auf verträgliche bzw. auf nach dem neuesten Stand der Technik mögliche Werte. Dazu spielt auch die Rückgewinnung von Nährstoffen wie beispielsweise Phosphor zunehmend eine wichtige Rolle. Dadurch sollen Abhängigkeiten vom Import verringert und die Effizienz der Wiederverwendung von limitierten Stoffen erhöht werden. Ein Baustein, um dieses Ziel zu erreichen, stellen Technologien der Membrantechnik dar. Gerade der Bereich der Vorwärtsosmose Membranen ermöglicht hier neue Arten der Verschaltung von Stoffströmen. Aufgrund der Verwendung von osmotischem Druck als treibende Kraft, im Gegensatz zu hydraulischem Druck der Umkehrosmose und des geringeren Fouling stellt die Vorwärts Osmose eine optimale Ausgangsbasis für die Verwendung in Bereich der Abwasserreinigung und Wiederverwendung dar. In dieser Arbeit wurde ein Vorwärtsosmose Membranmodul der Firma Aquaporin A/S (Dänemark) verwendet. Dabei handelt es sich um eine Membran, welche durch natürlich vorkommende Biomembranen inspiriert ist. Da es in bisherigen Literaturarbeiten keinen Konsens über den Rückhalt von Ammonium durch Aquaporin-Membranen gibt und dieser Parameter eine zentrale Rolle in der Abwasserreinigung einnimmt, wurde in dieser Arbeit der Fokus auf diesen Nährstoff gelegt. Ammonium stellt wegen seiner geringen Größe ein Problem bei der Selektivität von Membranen dar. Wenn dieses Problem gelöst wäre, könnte durch dessen Abtrennung die derzeitigen biologisch-basierten Prozesse von Kläranlagen energiesparender gestaltet werden. Die Abtrennung könnte dabei entweder im Zulauf der Kläranlage erfolgen oder bei der Behandlung des Trübwassers. Um die Unterschiede in den Rückhalten von Nährstoffen näher zu erforschen, wurden verschiedene Salze als Zuglösung untersucht und diese teils mit Ammonium versetzt um den Transportmechanismus genauer aufzuklären. Um definierte Zustände zu erhalten, wurde entweder die Zug-Lösung oder die Feed-Lösung (synthetischer Ablauf, realer Ablauf bzw. Trübwasser) stets frisch zugeführt. Es konnte generell gezeigt werden, dass auf der Permeatseite (Zugseite) höhere Konzentrationen an Ammonium erreicht werden können als in der Konzentratseite (Feedseite). Die Anionen des verwendeten Salzes für die Zuglösung haben dabei einen Einfluss auf den Transport von Ammonium. Es wurde ein verringerter Reverse Salt Flux (RSF) von Ammonium bei der Verwendung von Magnesiumsalzen gezeigt. Eine Korrelation zwischen spezifischem Ammonium Flux und dem Konzentrationsunterschied als treibende Kraft wurde in gewissen Grenzen widerlegt. Es zeigte sich, dass der Ammonium-Transport höher ist als jener des Wassers, welches durch die Membran permeiert, womit naheliegt, dass es neben der Diffusion und der Konvektion welche den Stofftransport bestimmen weitere treibende Effekte für den Transport gibt. Eine weitere Erklärung wäre, dass die Membran für Ammonium nicht selektiv ist. Zusätzlich wurden hohe Rückhalte für Phosphat im Bereich etwa 80 Prozent beobachtet, welche mit einschlägiger Literatur übereinstimmt.

By imposing stricter emission limits and expanding towards to include additional parameters, new concepts in the field of municipal wastewater treatment plants are necessary. This is evident in the efforts of the European Commission to revise regulations concerning the treatment of municipal wastewater. One key aspect of this revision is the reduction of micro-pollutants emitted into the environment, and the costs for achieving this are intended to be borne by producers of substances found in pharmaceuticals and cosmetics, as they are responsible for 92 percent of the toxic load in wastewater. In wastewater treatment plants, large quantities of various waste streams and substances come together in one place. The use of an increasingly broad range of chemicals in our society leads to ever more complex mixtures, posing a growing challenge for purification. The objective of wastewater treatment is not only the reduction of organic carbon load (measured as chemical oxygen demand, CSB) but also the removal of pollutants/nutrients to acceptable and latest state-of-the-art levels. Additionally, the recovery of nutrients such as phosphorus plays an increasingly important role. This approach aims to reduce dependencies on other countries and increase the reuse of increasingly scarce substances. One way to achieve this goal is through membrane technologies. Forward osmosis membranes, in particular, offer new possibilities for integration into wastewater streams. Due to the use of osmotic pressure as the driving force (in contrast to the hydraulic pressure in reverse osmosis), and due to low fouling, these membranes provide an excellent base for use in wastewater treatment. In this study, a forward osmosis membrane module from Aquaporin A/S (Denmark) was used that is inspired by naturally occurring biological membranes. Previous research has shown no consensus in the literature regarding the retention of ammonium by Aquaporin membranes. Therefore, and because Ammonium is a key substance in wastewater treatment this study focused on this nutrient. Ammonium is problematic for membrane selectivity due to its small size. If this issue was resolved, the current wastewater treatment process in sewage treatment plants could be made much more energy-efficient. An application either could happen in the inflow of the wastewater treatment plant or at the effluent. To further investigate the variations in nutrient retention, different salts were used as draw solutions, some of which were supplemented with ammonium to elucidate the transport mechanism. In order to achieve defined conditions, either the draw solution or the feed solution was consistently replenished. It was observed that the membrane exhibits higher permeability to ammonium compared to water. Elevated concentrations of ammonium can be achieved on the draw side as opposed to the feed side. The anions of the utilized salt in the draw solution impact the transport of X ammonium. A reduced Reverse Salt Flux (RSF) of ammonium was demonstrated when using magnesium salts. The correlation between specific ammonium flux and the concentration gradient as the driving force was partially contradicted. It was found that ammonium transport surpasses that of water permeating through the membrane, indicating driving effects beyond diffusion and convection that determine substance transport. Another possibility is that the membrane lacks selectivity for ammonium. The high retention rates for phosphate, around 80%, as reported in literature, were confirmed. Controversies in the literature regarding ammonium retention may potentially stem from disparate analytical determinations.