Regenerierung von Zuglösungen für die Vorwärtsosmose mittels Elektrodialyse als eine vierte Reinigungsstufe

Abstract

Die neue EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) 2024 schreibt einen höheren Entfernungsgrad organischer Spurenstoffe, wie z.B. Arzneimittel oder Industriechemikalien, aus kommunalem Abwasser vor. In dieser Diplomarbeit wird überprüft, wie gut sich die Verfahrenskombination aus Vorwärtsosmose (VO) und Elektrodialyse (ED) als vierte Reinigungsstufe einer Kläranlage eignet.Die Vorwärtsosmose ist in der Abwasserreinigung bislang noch wenig verbreitet, wogegen die Elektrodialyse als Verfahren in der Wasseraufbereitung, insbesondere zur Entsalzung, bereits etabliert ist. Für die Versuche wurde Ablauf aus der Versuchskläranlage im Technikum des Instituts am Standort Arsenal entnommen und als Feed für die Versuche der Vorwärtsosmose verwendet. Als Zuglösungen wurden jeweils Natriumchlorid (NaCl), Magnesiumchlorid (MgCl2) und Magnesiumsulfat (MgSO4) eingesetzt und untersucht. Durch den osmotischen Druckunterschied in der Vorwärtsosmose wird Wasser von dem Feed durch eine Membran in die Zuglösung gezogen.In Folge dessen verdünnt sich die Zuglösungen während der Versuchsdauer. Der Feed wurde je nach Versuch auf die Hälfte (entspricht einem Volumenreduktionsfaktor von 2 - VRF2) bzw. auf ein Zwanzigstel (VRF20) reduziert. Die verdünnten Zuglösungen wird anschließend in der Elektrodialyse regeneriert, indem die Ionen elektrisch vom Konzentrat zum Diluat transferiert werden. Die regenerierte Zuglösung wird wieder in die Vorwärtsosmose zurückgeführt, wodurch ein Kreislauf simuliert wird. Bei den einzelnen Prozessschritten wurden Proben entnommen und vor Ort im Labor chemisch analysiert. In einem weiteren Schritt erfolgte eine Auswertung über das Verhalten der Spurenstoffe, Nährstoffe und Ionen im Verlaufe des Kombi-Prozesses. Die Ergebnisse zeigen bei allen Zuglösungen dasselbe Ergebnis: Je höher die Stoffgruppen aufkonzentriert wurden, umso mehr wichen sie von den theoretischen Konzentrationsfaktoren ab. Auch die Auswahl der Zuglösung spielte einen entscheidenden Faktor für die Wirksamkeit der Rückhaltung. Abschließend wurde der Kombi-Versuch energetisch ausgewertet. Dabei konnte festgestellt werden, dass der Energiebedarf für die VO-Pumpe gering war, während der Strombedarf der ED für die Regeneration deutlich höher ausfiel und stark von der Zuglösung und Verdünnung abhing. Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse das Potenzial der Verfahrenskombination besonders bei NaCl, zeigen aber auch einen klaren weiteren Forschungsbedarf. Die Untersuchungen erfolgten im Labormaßstab, sodass für eine abschließende Beurteilung als vierte Reinigungsstufe großtechnische Studien sowie eine energetische Optimierung der Elektrodialyse erforderlich sind.

The revised EU Urban WasteWater TreatmentDirective (UWWTD) 2024 requires further removal of organic micropollutants, for example pharmaceuticals or industial chemicals, from municipal wastewater. This thesis investigates how well the combination of forward osmosis (FO) and electrodialysis (ED) could work as a fourth treatment step in wastewater treatment. Forward osmosis is still not widely used in wastewater treatment, whereas electrodialysis is already an established method in water treatment, especially for desalination. First, effluent was taken from the pilot wastewater treatment plant at the technikum of the institute at Arsenal and used as the feed for the forward osmosis tests. The draw solutions sodium chloride (NaCl), magnesium chloride (MgCl2), and magnesium sulfate (MgSO4) were investigated. In forward osmosis, osmotic pressure pulls water from the feed through a membrane into the draw solution. Because of this, the draw solutions becomes more diluted during the tests. Depending on the experiment, the feed was concentrated either to half of its original volume (corresponds to a volume reductions factor of 2 - VRF2) or to onetwentieth (VRF20). The diluted draw solutions is regenerated in electrodialysis by moving ions from the concentrate to the diluate in an electric field. The regenerated draw solution was then returned to the loop. Samples were taken at the different process steps and analysed chemically in the laboratory on site. In a next step, the behaviour of micropollutants, nutrients, and ions was evaluated over the whole combined process. Results show for all draw solutions that higher concentration led to larger differences from the theoretical concentration factors. The selection of the draw solution also had a strong influence on how well substances were retained. Finally, the combined process was analysed in terms of energy demand. FO pumping energy was low, while the electricity demand of ED for regeneration was much higher and depended strongly on the draw solution and the level of dilution. In summary, the results show the potential of the combined process especially by NaCl, but they also show that more research is needed. The tests were done at lab scale, so pilot or full-scale studies and energy optimization of electrodialysis are necessary for a final evaluation as a fourth treatment step.