Filtration und Membrantrennverfahren
EnviCare® hat seit 1992 den Erfahrungsschatz im Bereich Membrantrenntechnik konsequent ausgebaut. Die Durchführung zahlreicher Planungen und daran anknüpfender Genehmigungsverfahren, die Verfahrensabsicherung und Entwicklung im Labor- und Pilotmaßstab, oft unter Einbindung von führenden technischen Universitäten und letztlich am Wichtigsten, die Implementierung im großtechnischen Maßstab stellt heute sicher, dass der Auftraggeber optimal beraten wird.
Membrane werden heute nicht nur in allen Bereichen der Abwasser- und Prozesswasserbehandlung eingesetzt, sie stellen auch eine zentrale Unit-Operation in industriellen Produktionsabläufen dar.
Ebenso wird Wasserstoff vermehrt und effektiv in sogenannten PEM-Elektrolyseanlagen hergestellt, deren Herzstück – der Stack – aus der „Proton Exchange Membrane“ (oder „polymer electrolyte membrane“) besteht.
Biomethan wiederum wird mit Hilfe von selektiven Gaspermeationsmembranen aus Rohbiogas aufbereitet.
Membranbioreaktoren
Das konventionelle Verfahren der Abwassertechnik beruht auf dem Prinzip der Sedimentation des Belebtschlammes und verlangt neben aufwändiger Maschinentechnik (Pumpen, Belüftung, Räumer) die Errichtung von großvolumigen Klärbecken.
Stetige Fortschritte in der Entwicklung neuer Membranmaterialien ermöglichen heute den Einsatz der Membranfiltrationstechnologie in der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung. Insbesondere bei der Erweiterung bestehender Anlagen oder limitierten Platzverhältnissen kann aufgrund des signifikant niedrigeren Platzbedarfs („Footprint“) die höhere Reinigungsleistung als wichtiges Entscheidungskriterium den Ausschlag zum Einsatz von Membranfiltrationsanlagen geben.
Membrangestützte Biomethanaufbereitung
Eine bestehende landwirtschaftliche Biogasanlage gewinnt derzeit in einem BHKW erneuerbarer Energie in Form von elektrischem Strom (650 kW) und Wärme aus nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Erzeugnissen und Reststoffen. Um die Anlage auch in Zukunft fortführen zu können, soll nun eine membranbasierte Biomethanaufbereitungsanlage mit dem Ziel der Erzeugung und Einspeisung von 460 Nm³/h Biomethan in das öffentliche Erdgasnetz errichtet werden.
Das Rohbiogas enthält 50 – 65 % Methan, 30 – 48 % Kohlendioxid sowie andere Spurengase wie, z.B. Schwefelwasserstoff. Nach entsprechender Vorbehandlung und nachfolgender Membranaufbereitung wird das so erzeugte Biomethan ins Erdgasnetz eingespeist.
Gasseparationsmembranen arbeiten nach dem Prinzip der selektiven Permeation durch eine Membranoberfläche. Die treibende Kraft für das Gas durch die Membran zu permeieren, ist die Partialdruckdifferenz des Gases zwischen Retentatseite (= Innenseite der Hohlfaser) und Permeatseite (= Außenseite).
Bei der hier relevanten Trennung von Kohlendioxid und Methan permeiert Kohlendioxid stark bevorzugt durch die Membran, während Methan zurückgehalten wird.
Wasserstofferzeugung mit PEM-Elektrolyse
In einem österreichischen Forschungsprojekt werden grüner Wasserstoff und Biomethan als wichtige Kernkomponenten im Prozess des Umbaus des Gasnetzes in eine CO2-neutrale Struktur produziert. Dabei wird grüner Wasserstoff durch PEM-Elektrolyse mit Energie aus den Photovoltaikmodulen vor Ort erzeugt. Der größere Anteil des grünen Wasserstoffs wird zur industriellen Nutzung außerhalb des Standorts transportiert, während ein kleinerer Teil verwendet wird, um das Kohlendioxid (CO2) im Rohbiogas einer regionalen landwirtschaftlichen Biogasanlage durch einen katalytischen Methanisierungsprozess zu Biomethan zu veredeln.
Grüner Wasserstoff wird durch eine 1 MW PEM-Elektrolyse mit einer Produktionskapazität von 210 Nm³ H2/h erzeugt. Herzstück der Elektrolyse sind die Stacks, die an den Reinstwasserkreislauf angeschlossen sind. Jeder Stack besteht aus mehreren Zellen, wobei jede Zelle aus zwei Kammern (Anode und Kathode) aufgebaut ist, die durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) getrennt sind.
Das Reinstwasser wird durch die Anodenseite gepumpt. An die Elektrolysestapel wird Strom angelegt. Am Pluspol (Anode) entstehen Sauerstoff (O2), Wasserstoffprotonen (H+) und freie Elektronen. Die Wasserstoffprotonen wandern durch die Membran zum Minuspol (Kathode) und mit den freien Elektronen wird gasförmiger Wasserstoff (H2) gebildet. Der gasförmige Sauerstoff (O2) verbleibt auf der Anodenseite und wird mit dem überschüssigen Wasser aus dem Elektrolysestack in den Sauerstoffabscheider ausgespült.
Mikrofiltration
Mit der Mikrofiltrationsanlage einer mittleren Molkerei wurde großtechnisch die Machbarkeit der Aufsplittung des Waschwassers in 15v% fett- und CSB-reiches Retentat und 85v% CSB-armes Filtrat gezeigt. Das fettreiche Retentat wird direkt über eine Schlauchleitung dem Faulturm zugeführt, wahrend das fettarme Filtrat so wie bisher über den Freispiegelkanal abgeleitet wird.
Dies dient einerseits zur Vermeidung der in der Vergangenheit immer wieder auftretenden Blähschlammproblematik in der aeroben Reinigungsstufe der Kläranlage und führt andererseits zu einer größeren Gasproduktion im Faulturm.
Durch diese membrangestützte Abwasservorreinigung der Molkerei wird einerseits in der Kläranlage die Blähschlammproblematik gelöst und andererseits ein täglicher Energiegewinn von ca. 2.400 kWh erzielt.
Diesem Energiegewinn stehen der Leistungsbedarf der Membranfiltration von 35 kW gegenüber, so dass sich in Summe ein Nettonutzen der Installation von ca. 65 kW ergibt.
Nanofiltration und Umkehrosmose
EnviCare® verfügt über jahrzehntelange Erfahrung im Einsatz von Nanofiltrationsanlagen und Umkehrosmoseverfahren vor allem im Bereich der Prozesswasseraufbereitung und Deponiesickerwasserreinigung. Dabei weist das nicht selektive Rückhalteverhalten der Umkehrosmose große Vorteile auf, da hier alle größeren Stoffe zuverlässig aus dem Reinwasser entnommen werden und außerdem die Qualität sehr einfach und sicher über zuverlässige Summenparameter überwacht werden kann.
Die Membran wirkt hier als echte Barriere und hält Bakterien, Viren und größere Moleküle entsprechend der eingesetzten Trenngrenze zuverlässig zurück. Alternative Verfahren, die auf Ozonierung, UV-Bestrahlung, Aktivkohleadsorption, Schwerkrafttrennung oder chemischer Behandlung basieren, können dies nicht gewährleisten.
Membrandestillation
Die Entwicklung von Stoffaustauschverfahren, die auf Membrandestillation basieren und z.B. zur direkten Gewinnung von Stickstoff- und Phosphordünger aus Biogasgülle oder aus dem Trübwasser von Faultürmen eingesetzt werden können, stellt ebenso einen spannenden Schwerpunkt unserer F+E-Aktivität dar.
Die Membrandestillation (MD) ist ein thermischer Prozess, bei dem nur dampfförmige Moleküle durch eine poröse, hydrophobe Membran diffundieren. Der flüssige Feed steht dabei in direktem Kontakt mit einer Seite der Membran, deren hydrophobe Eigenschaften aber ein Eindringen der Flüssigkeit in die Poren der Membran durch die vorherrschende Oberflächenspannung verhindern. Die treibende Kraft der MD ist eine Dampfdruckdifferenz zwischen der warmen Feedseite und der kalten Permeatseite der Membran.
Die thermische Energie wird bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 60 – 80°C benötigt und kann durch Abwärme eines Blockheizkraftwerks oder Solarthermie bereitgestellt werden.
Die MD wird heute in erster Linie zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meer- und Brackwasser und für die Produktion von Reinstwasser aus Trinkwasser eingesetzt. Der Einsatz dieses vergleichsweise „jungen“ Membranverfahrens für die Aufbereitung von stark belasteten wässrigen Lösungen ist vielversprechend.
EnviCare® bietet Engineeringleistungen in folgenden Bereichen an:
- Membranbioreaktoren
- Stoffaustausch – Membrandestillation
- Mikro- und Ultrafiltration
- Nanofiltration
- Umkehrosmose
- Wasserstofferzeugung auf Basis von PEM
- Gaspermeation – Gewinnung von Biomethan
Engineering von Filtrations- und Membrantrennverfahren bieten wir für vielfältige industrielle Anwendungen an und stimmen unsere Angebote stets individuell an die Kundenbedürfnisse ab:
- Verfahrenstechnische Planungsleistungen
- Durchführung und Auswertung von Pilotversuchen
- Abwicklung von Ausschreibungen und Behördenverfahren
- Consulting (Machbarkeitsstudien, Konzeptentwicklung)