Fachlicher Schlussbericht - Cleaner Production

Fachlicher Schlussbericht Förderkennzeichen 02WA9963/2

�� ⋅��

� �� !��

I

Fachlicher Schlussbericht

ZE: Dr. Weßling Beratende Ingenieure GmbH

Förderkennzeichen: 02WA9963/2

Vorhabenbezeichnung:

Entwicklung einer Anlagentechnik für die Reinigung von Schiffsabwasser durch die Verfahrenskombination Belebungsbiologie/Mikrofiltration

Laufzeit des Vorhabens: 1. September 1999 – 31. August 2002 (Verlängerung und Aufstockung bis 31. Dezember 2003)

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bun-desministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WA9963/2 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentli-

chung liegt beim Autor.


�� ⋅��

� �� !��

II

Inhaltsverzeichnis

Teil I 1

1 Aufgabenstellung ............................................................................................................................. 1

1.1 Ziel des Gesamtvorhabens......................................................................................................... 1

2 Voraussetzungen der Vorhabendurchführung................................................................................. 2

2.1 Aktuelle Situation ........................................................................................................................ 2 2.2 Stand der Schiffsabwasseraufbereitungstechnik zu Beginn des Projektes ............................... 3 2.2.1 Schwarz- und Grauwasser ........................................................................................ 3 2.2.2 Bilgenwasser ............................................................................................................. 6 2.3 Internationale Vorschriftenlage ................................................................................................... 7 2.3.1 Schwarz- und Grauwasser ........................................................................................ 8 2.3.2 Bilgenwasser ............................................................................................................. 9 2.4 Stand der Technik zu Beginn des Projektes............................................................................. 10 2.4.1 Schwarz- und Grauwasser ...................................................................................... 10 2.4.2 Bilgenwasserentölung ............................................................................................. 11 2.5 Projektziel ................................................................................................................................. 12

3 Planung und Ablauf des Vorhabens .............................................................................................. 14

3.1 Die Projektphasen .................................................................................................................... 14 3.1.1 Teilprojekt I .............................................................................................................. 14 3.1.2 Teilprojekt II ............................................................................................................. 16 3.2 Planung der Anlagen ................................................................................................................ 17 3.3 Dimensionierung der Anlagen .................................................................................................. 17

4 Wissenschaftlicher und technischer Stand an den angeknüpft wurde .......................................... 19

4.1 Entwicklung der Mikrofiltrationstechnik..................................................................................... 19 4.2 Verfahrensbeschreibung........................................................................................................... 20 4.2.1 Das Funktionsprinzip............................................................................................... 20 4.2.2 Technik der Membranbiologie ................................................................................. 21 4.2.3 Kennzeichen der Membranbiologie......................................................................... 22

5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen............................................................................................ 24

Teil II ........................................................................................................................................................ 1

1 Darstellung der erzielten Ergebnisse............................................................................................... 1

1.1 Das MEMROD®-Prinzip .............................................................................................................. 1 1.2 Auswahl der Versuchträgerschiffe.............................................................................................. 3 1.3 Kriterien zur Auswahl der Schiffe................................................................................................ 4 1.3.1 Geeignetes Fahrtgebiet............................................................................................. 4 1.3.2 Geeigneter Aufstellungsort........................................................................................ 5 1.3.3 Ausreichende Transportmöglichkeit und Zugänglichkeit .......................................... 5


�� ⋅��

� �� !��

III

1.3.4 Planbarer Versuchsverlauf ........................................................................................ 5 1.3.5 Vorauswahl................................................................................................................ 6 1.4 Beschreibung der Versuchsanlagen........................................................................................... 6 1.4.1 Landanlage................................................................................................................ 6 1.4.2 Oceanic ..................................................................................................................... 7 1.4.3 Iberia.......................................................................................................................... 9 1.4.4 Transeuropa ............................................................................................................ 11 1.5 Ergebnisse ................................................................................................................................ 12 1.5.1 Abwasseranfall ........................................................................................................ 13 1.6 Anlagenplanung........................................................................................................................ 15 1.6.1 Anlagenbemessung................................................................................................. 16 1.6.2 Messtechnische Ausstattung................................................................................... 17 1.7 Inbetriebnahme......................................................................................................................... 17 1.8 Wartung .................................................................................................................................... 19 1.8.1 Maschinentechnische und elektrische Ausrüstung ................................................. 20 1.8.2 Membranbioreaktor ................................................................................................. 20 1.8.3 Membranreinigung .................................................................................................. 20 1.8.4 Optimierung des Lufteintragsystems....................................................................... 21 1.8.5 Überschussschlammbehandlung ............................................................................ 21 1.8.6 Bilgenwasserbehandlung ........................................................................................ 22 1.8.7 Betriebsergebnisse der Versuchsanlagen .............................................................. 25 1.8.8 Ausblick ................................................................................................................... 26

2 Darstellung des voraussichtlichen Nutzens................................................................................... 26

3 Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen.................................................. 28

3.1 Triqua bv ................................................................................................................................... 28 3.2 ROCHEM UF-Systeme GmbH ................................................................................................. 28 3.3 QinetiQ, Environmental Sciences Dept. ................................................................................... 28 3.4 Martin-Systems AG................................................................................................................... 29 3.5 Hamworthy KSE limited, Marine & Offshore............................................................................. 29

4 Gesamtliste der Veröffentlichungen und Vorträge......................................................................... 29

4.1 Seminare und Tagungen .......................................................................................................... 29 4.2 Veröffentlichungen.................................................................................................................... 30 4.3 Sonstiges .................................................................................................................................. 30 4.4 Messen ..................................................................................................................................... 31


�� ⋅��

� �� !��

II

Anhang Anhang I Teil III, Erfolgskontrollbericht Anhang II Bericht der RWTH-Aachen Anhang III Quellenverzeichnis


�� ⋅��

� �� !��

V

Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Anforderung an die Einleitung von gereinigtem Schwarzwasser (gem.

MARPOL) ..................................................................................................................8

Tabelle 2-2: Auswahl nationaler Vorschriften ....................................................................9

Tabelle 3-1: Abwasser auf Passagierschiffen .................................................................17

Tabelle 3-2: Abwasser auf Handelsschiffen ....................................................................18

Tabelle 1-1: Abwassersituationen auf verschiedenen Schiffen..........................................4

Tabelle 1-2: Daten für die Ostsee ...................................................................................13

Tabelle 1-3: Abwasseranfall auf der RoPax-Fähre Transeuropa und der Safmarine Iberia

................................................................................................................................14

Tabelle 1-4: Messgrößen zur Berechnung ......................................................................16

Tabelle 1-5: Kohlenwasserstoffbilanz Oceanic................................................................24


�� ⋅��

� �� !��

VI

Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1: Verfahren der Abwasserbehandlung an Bord.....................................................7

Abbildung 1-1: Membranmoduleinheit........................................................................................1

Abbildung 1-2: Idee des MEMROD-Prinzips ..............................................................................3

Abbildung 1-3: Landanlage ........................................................................................................6

Abbildung 1-4: Oceanic..............................................................................................................7

Abbildung 1-5: Reaktor Oceanic ................................................................................................8

Abbildung 1-6: SAF Iberia..........................................................................................................9

Abbildung 1-7: Reaktor Iberia ..................................................................................................10

Abbildung 1-8: Transeuropa ....................................................................................................11

Abbildung 1-9: Reaktor Transeuropa .......................................................................................12


�� ⋅��

� �� !��

VII

Liste der häufig verwendeten Abkürzungen Abkürzung / Symbol Bedeutung Einheit ATV Abwassertechnische Vereinigung e.V. BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung BSB5 Biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen mg/L BWB Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung CSB Chemischer Sauerstoffverbrauch mg/L EW Einwohnerwert - IMO International Maritime Organization KBE Kolonie bildende Einheit - KW Kohlenwasserstoffe MARPOL Marine Pollution MEMROD® MEMbrane Reactor Operation Device MEPC Marine Environment Protection Committee Nges Gesamtstickstoff (Summe aus Ammoniumstickstoff, organisch gebundenem Stickstoff und Nitrit- und Nitratstickstoff) mg/L Norg. organisch gebundener Stickstoff mg/L

NH4-N Ammoniumstickstoff mg/L NO3-N Nitratstickstoff mg/L NO2-N Nitritstickstoff mg/L oTR Organischer Trockenrückstand mg/L oTS Organischer Trockensubstanzgehalt mg/L Pges. Gesamtphosphat mg/L pH-Wert Pondus hydrogenii, negativer dekadischer - Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität in wässriger Lösung - ppm Parts per million - See-BG See- Berufsgenossenschaft TKN Kjeldahl-Stickstoff (Summe aus organisch gebundenem Stickstoff und Ammoniumstickstoff) mg/L TR Trockenrückstand mg/L TS Trockensubstanzgehalt g/L UN United Nations UV Ultraviolett WABAG-SMS WABAG Submerged Membrane System


�� ⋅��

� �� !��

1

Teil I

1 Aufgabenstellung

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ge-förderten Forschungsvorhabens sollte eine optimierte Verfahrenstechnik zur Rei-nigung aller an Bord eines Schiffes anfallenden Abwässer, inklusive vorentöltes Bilgenwasser entwickelt, erprobt und die wirtschaftliche Eignung ermittelt werden.

1.1 Ziel des Gesamtvorhabens

Ziel des Projektes war es, die verfahrenstechnische und wirtschaftliche Eignung der Kombination Belebungsverfahren/Membranfiltration für die Reinigung von sa-nitären Schiffsabwässern und konventionell vorbehandelten Bilgenabwässern im Rahmen eines Demonstrationsprojektes nachzuweisen.

Dazu sollten in relevanten Schiffstypen (Fracht- bzw. Fährschiffe) vorhandene Schiffsabwasseraufbereitungsanlagen auf die Membranbelebung umgerüstet und die Betriebssicherheit unter den verschiedenen, teilweise extremen Betriebsbe-dingungen getestet werden.

Durch die praxisnahe Erprobung sollten die Vorteile des Verfahrens unter Praxis-bedingungen nachgewiesen werden.

Die Grundlage der zu entwickelnden Anlagentechnik bildete die Kombination des aeroben Belebungsverfahrens zur Abwasserreinigung und der Unterdruck-Mikrofiltrationstechnik zur Abtrennung des Belebschlammes vom gereinigten Wasser.

Die zu entwickelnde Abwasserreinigungsanlage sollte an die Erfordernisse des Schiffbaus und des Schiffsbetriebs angepasst und optimiert werden, um so eine wesentliche Entlastung der Meeresumwelt ermöglichen.

Im ersten Teilprojekt wurde die oben genannte Verfahrenskombination zunächst im Labormaßstab und anschließend anhand einer Pilotanlage an Land untersucht und optimiert. Ausgehend von den Ergebnissen des ersten Teilprojektes wurde im zweiten Teilprojekt die Praxistauglichkeit des Verfahrens unter Realbedingungen auf ausgesuchten Schiffen erprobt und den schiffbaulichen und betrieblichen Rahmenbedingungen angepasst.

Hierzu wurden drei verschiedene Schiffstypen mit MEMROD® Anlagen ausgerüs-tet, um die verschiedenen Einflüsse wie Seegang, Belastungsspitzen und Tempe-ratureinflüsse auf den Anlagenbetrieb und die Reinigungsleistung zu überprüfen.


�� ⋅��

� �� !��

2

Als Versuchsträger wurden die drei Schiffe:

• Hochseeschlepper „OCEANIC“ Beurteilung des Einflusses starker Schiffsbewegungen

• Container-Frachter „SAFIBERIA“ Beurteilung des Einflusses von hohen Außentemperaturen

• Ro-Pax-Fähre „TRANSEUROPA“ Beurteilung des Einflusses von Stoßbelastungen

ausgewählt. Eine weitere Aufgabe innerhalb des Forschungsprojektes bestand darin, die ver-schiedenen anfallenden Schmutzwassermengen auf den Schiffen zu ermitteln, um ausreichend Daten für die Auslegung und Dimensionierung der Versuchsan-lagen sowie zukünftiger Anlagen zur Verfügung zu haben.

2 Voraussetzungen der Vorhabendurchführung

2.1 Aktuelle Situation

Durch die Einleitung von nicht ausreichend geklärten Schiffsabwässern kommt es zu einer Belastung der Gewässer.

Verschiedene Untersuchungen der Helsinki Commission (HELCOM) zeigen auf, dass die Ostsee durch die von Seeschiffen eingeleiteten Grau- und Schwarzwäs-ser stark belastet wird. HELCOM weisst außerdem darauf hin, dass die bisher an Bord üblichen Kläranlagen nicht zwangsläufig zu einer Reduzierung der eingelei-teten Menge an Stickstoff und Phosphat führen. Vielmehr bedeuten Kläranlagen auf Schiffen – aufgrund der für die zur Durchführung des Klärprozesses und zur Desinfektion des „Reinwasser“-Ablaufes notwendigen Zugabe von „other harmful substances“ – eine zusätzliche Erhöhung.

Etwa 70 Mio. Passagiere reisen jährlich per Schiff über die Ostsee, verzehren dabei täglich u. a. 65.600 warme Mahlzeiten und erzeugen jährlich etwa 432.000 m³ Schwarzwasser. Insgesamt werden etwa 25 % der Schwarzwässer an Land entsorgt, 65 % an Bord geklärt und 10 % direkt in die See eingeleitet. Grauwässer dagegen werden zu 95 % unbehandelt direkt in die See eingeleitet.

Es ist davon auszugehen, dass durch den Fährverkehr aufgrund der unzurei-chenden Wirkung der bisher an Bord üblichen Kläranlagen jährlich etwa 132 t Stickstoff und 33 t Phosphat in die Ostsee eingeleitet werden. Nach vorsichtigen Schätzungen beträgt die eingeleitete Menge an Stickstoff etwa das Dreifache, an Phosphat etwa das 2,5-fache der Menge, die bei einer Behandlung dieser Ab-wässer durch kommunale Abwasserreinigungsanlagen entstanden wäre.


�� ⋅��

� �� !��

3

Im Verhältnis zu anderen Einleitungen in die Ostsee erscheint der Anteil der Fähr-schifffahrt zunächst gering, doch „the best practicable environmental protection should be strived for“ [HELCOM 1992].

2.2 Stand der Schiffsabwasseraufbereitungstechnik zu Beginn des Projektes

An Bord von Schiffen wird zwischen drei in ihrer Herkunft und Zusammensetzung unterschiedlichen Abwässern unterschieden, dem sog. „Schwarzwasser“, welches Fäkalabwasser aus Toiletten bezeichnet, dem „Grauwasser“ aus Handwaschbe-cken, Duschen, Pantrys und Küchen sowie dem „Bilgenwasser“. Die „Bilge“ be-zeichnet den tiefsten Punkt des Schiffsrumpfes. Bilgenwasser setzt sich aus Kon-densat-, Leckage und Reinigungswasser zusammen. Es kann durch Schmier- und Betriebsstoffe, Rost- und Farbpartikel sowie Reinigungszusätze verunreinigt sein.

2.2.1 Schwarz- und Grauwasser Der Stand der Technik zu Beginn des Projektes, welcher derzeit immer noch üb-lich ist, orientiert sich an der kommunalen Abwasserreinigung, wobei auf Schiffen ein- oder zweistufige Belebungsanlagen zur biologischen Sanitärabwasserreini-gung eingesetzt werden. Das Reinigungsverfahren und die anlagenspezifischen Parameter sind in der Regel der kommunalen Abwasserreinigung entlehnt. Dabei richten sich die Bauformen der Anlagen nach den Schiffsbedingungen und nicht nach den verfahrenstechnischen Notwendigkeiten.

Bei dem Konzept der Anwendung der kommunalen Abwasserreinigung an Bord von Schiffen wird versucht, das Belebschlammverfahren auf Schiffsabwässer an-zuwenden. Durch das einfache Kopieren der Verfahren aus der kommunalen Ab-wasserreinigung wird in vielen Fällen den Schiffsbedingungen nicht genügend Rechnung getragen. Diese für die Schiffsabwasser-Reinigung eingesetzten Anla-gen weisen häufig gestörte Betriebszustände auf.

Für die Anlagen werden quaderförmige Becken bevorzugt. Da die Durchmi-schungseinrichtungen fehlen oder aber nicht an die Beckengeometrie adaptiert sind, bilden sich unbelüftete Zonen aus, in denen nur geringe oder gar keine Wasserturbulenzen auftreten. Ein weiteres Problem stellt die Schlammräumung dar, die bei quaderförmigen Becken mit ebenen Böden nur unvollständig erfolgen kann. Als Folge kommt es besonders in den Ecken der Becken zu einem Absin-ken der Belebtschlammflocken. Dickere Belebschlamm-Ablagerungen auf dem Beckenboden verursachen eine Sauerstoffzehrung, da die Atmungsaktivität der Bakterien sehr hoch, die Versorgung mit Sauerstoff aber ungenügend ist. In die-sen anaeroben Zonen der Becken kommt es zu Faulschlammbildungen, da Schwefelwasserstoff und Methan bildende Bakterien wachsen können. Faul-schlammbildungen sind häufig direkt am üblen Geruch der Abluft der Anlage zu


�� ⋅��

� �� !��

4

erkennen. Die Besatzungen sind gezwungen, aufgrund der Geruchsbelästigung, die Anlage abzupumpen und neu anzufahren. Eine funktionstüchtige, leistungs-starke Biologie ist so nicht zu etablieren.

Datenmaterial zu den Ablaufwerten von Schiffsabwasser-Reinigungsanlagen lag zu Beginn des Projektes kaum vor, da keine geregelte Überwachung von Seiten der Behörden erfolgte.

Ein Funktionstest der Anlagen ist gemäß IMO Entschließung vorgeschrieben, wird jedoch mit – zusätzlich noch vergleichmäßigtem – kommunalem Abwasser in der Regel an Land durchgeführt. Dies ist mit den an Bord herrschenden Bedingungen nicht vergleichbar.

Auf einem Schiff gibt es keine großvolumige Kanalisation, die eine Vergleichmä-ßigung der Schmutzfrachten erlaubt. Da die gleichmäßige Beschickung einer Rei-nigungsanlage aber ein wichtiges Kriterium für deren Betriebssicherheit ist, muss durch Schaffen ausreichender Pufferkapazitäten eine Vergleichmäßigung der Frachten erzielt werden. Die Einbeziehung eines Ausgleichs- und Pufferbeckens in das Anlagenkonzept, z. B. durch die Anordnung eines entsprechend ausgeleg-ten Sammeltanks, ist daher immer ratsam.

Der Rückhalt des Belebtschlammes ist für das Funktionieren einer biologischen Reinigungsanlage von essentieller Bedeutung. Die Belebtschlammmenge, bzw. Bakterienkonzentration ist ein entscheidendes Maß für die Abbaukapazität und Betriebssicherheit einer Reinigungsanlage. Hohe Stoff-Zeit-Umsatzraten sind nur realisierbar, wenn ausreichend Belebtschlamm zur Verfügung steht. Ferner be-wirkt eine hohe Belebtschlammkonzentration, dass Frachtspitzen besser abge-fangen werden können. Voraussetzung für hohe Belebtschlammkonzentrationen ist ein effektiver Bakterienrückhalt.

Bei den bisher üblichen Anlagen wird dies in der Regel durch Sedimentationsbe-cken versucht, die den Belebungsbecken nachgeschaltet werden. Aufgrund der durch die schiffbaulichen Rahmenbedingungen verursachten geringen Bauhöhe und einem durch die Schiffsbewegungen gestörten Sedimentationsverhalten ist es aber in diesen Becken nicht möglich, eine vollständige Trennung des Be-lebtschlamm-/Klarwassergemisches zu erreichen.

Weiter führt die stoßweise Beschickung der Anlage dazu, dass die biologischen Prozesse innerhalb der Anlage überlastet und immer wieder stark gestört werden. Während des Tages fallen Abwässer verschiedener Herkunft und mit stark unter-schiedlichen Schadstoffkonzentrationen an. Die Anlage wird so ständig mit hyd-raulischen oder frachtbezogenen Belastungsspitzen konfrontiert, bzw. überlastet. Weiter kann es in Folge der hydraulischen Überlastung zu einem Austrag des Be-lebtschlammes aus dem System und somit zu einer weiteren Schwächung des Abbauverhaltens der biologischen Reinigungsanlage kommen. Als Folge ist das sichere Einhalten der Einleitgrenzwerte nicht zu gewährleisten.


�� ⋅��

� �� !��

5

Bei den derzeit betriebenen Abwasserbehandlungsanlagen ist eine Speicherung bzw. Behandlung des anfallenden Überschussschlammes nicht vorgesehen. Die Produktion von Überschussschlamm ist bei konventionellen, biologischen Schiffs-abwasseraufbereitungsverfahren nicht bekannt, da der Belebtschlamm aufgrund des gestörten Sedimentationsvorganges in der Nachklärung über den Ablauf der Anlage aus dem System ausgetragen wird. Aktive Biomasse gelangt so in das Gewässer und steht für den Abwasserreinigungsprozess nicht mehr zur Verfü-gung. Als Folge tritt eine kontinuierliche Schwächung der biologischen Abwasser-reinigungsstufe bis zum vollständigen Zusammenbruch der Reinigungsleistung ein. Die ehemalige Belebungsbiologie erfüllt dann lediglich noch den Zweck eines belüfteten Misch- und Ausgleichsbeckens.

Die Lufteintragsysteme, die heute in Schiffsabwasser-Reinigungsanlagen Anwen-dung finden, reichen aus, um die Bakterien mit dem für die Abbauprozesse not-wendigen Sauerstoff zu versorgen. In den Belebungsbecken sind Schaumstoffbe-lüfter oder Membranbelüfter installiert, die für eine feinblasige Verteilung des Sauerstoffs im Becken sorgen sollen. Aufgrund der geringen Beckenhöhe ist die Effektivität dieses Eintrages aber gering. Eine Sauerstoffausnutzung von etwa 3 - 5 % pro Meter Beckenhöhe ist die Regel. Dies führt dazu, dass viel mehr Luft durch die Becken geblasen werden muss, als eigentlich für die Abbauprozesse notwendig ist. Als Folge kommt es zu Schäden an den Belüftungseinrichtungen durch pneumatische Überlastung und häufig zu einer starken Schaumbildung in den Becken, die mit großen Mengen Antischaummittel bekämpft werden muss.

Siebeinrichtungen zur Abtrennung von Fest- und Faserstoffen sind bei den beste-henden Anlagen zumeist nicht vorhanden. Häufig beschränkt sich die Feststoffab-trennung auf die so genannte „Kronkorkenfalle“, mit der metallische Feststoffe zum Schutz der im Abwassersystem installierten Strömungsmaschinen abge-trennt werden können. Dem entsprechend fehlen technische Anlagen zur hygieni-schen Lagerung, bzw. Behandlung abgetrennter Feststoffe. Erfolgt keine Fest-stoffabtrennung ergibt sich das Problem der Bildung von Verstopfungen durch Zopfbildung in den Behandlungsanlagen. Erschwert wird dies noch durch die Verwendung von Vakuum-WCs an Bord von Schiffen. Durch das angelegte Va-kuum werden Faserstoffe in feine Teilchen zerrissen und in die Reinigungsanlage eingetragen. Innerhalb der Anlage kommt es zur Akkumulation dieser Faserstoffe, die dann Verstopfungen hervorrufen. Die Verwendung von Festbettreaktoren zur Leistungssteigerung der Anlage ist dadurch ebenfalls eingeschränkt.

Aufgrund der hohen Feststoffbelastung ist es zur Desinfektion des Ablaufwassers erforderlich, erhebliche Mengen Desinfektionsmittel zuzusetzen (Chlorbleichlau-ge). Die Desinfektion des Ablaufwassers mittels UV-Strahlung ist verfahrenstech-nisch schwierig zu realisieren, da bei hohen Feststoffgehalten eine Beschattung erfolgt, welche die Strahlendosis reduziert. Des weiteren tritt durch Algenwachs-tum an den UV-Lampen eine Schwächung der Strahlungsintensität auf.


�� ⋅��

� �� !��

6

2.2.2 Bilgenwasser Die „Bilge“ ist als der „tiefste Bereich eines unteren Schiffsraumes“ definiert. Bil-genwasser ist regelmäßig durch geeignete Mittel aus der Bilge zu entfernen. Eine Behandlung des Bilgenwassers zur Herabsetzung des Ölgehaltes vor einer Ab-gabe nach See ist vorgeschrieben. Die dem Stand der Technik entsprechend in der Schiffstechnik eingesetzten Schwerkraftentöler oder Koaleszenzabscheider gelangen aufgrund der in der Regel als Emulsion vorliegenden Bilgenwässer bei der Öl-Wasser-Trennung häufig an ihre verfahrenstechnischen Grenzen. Das Entstehen von emulsionsartigen Öl-Wassergemischen wird durch den Ein-satz von emulgierenden Reinigungsmitteln, wie z.B. Kaltreiniger begünstigt. Ab-scheiderfreundliche Reinigungsmittel sind nur selten im Einsatz. Ferner begünsti-gen Verwirbelungen innerhalb der Förderpumpen sowie schiffstypische Bewe-gungen die Bildung von Emulsionen und setzen die Funktionstüchtigkeit der Schwerkraft- und Koaleszenzabscheider herab. Im Ablauf der Entöler messen sog. „Ölmonitore“ mittels einer Streulichtmessung die Trübung des entölten Bilgenwassers. Den tatsächlichen Kohlenwasserstoff-gehalt (KW-Gehalt) des Öl-Wasser-Gemisches kann der Ölmonitor nicht bestim-men. Die gemessene Trübung wird über einen Messumformer auf den KW-Gehalt umgerechnet. Die Abgabe von Bilgenwasser nach See mit mehr als 15 ppm ist nicht zulässig. Bei höheren Gehalten wird das entölte Bilgenwasser durch den Ölmonitor automatisch in die Bilge zurückgeführt. Die Streulichtmessung bietet aufgrund der zahlreichen, die Messung beeinflussenden Faktoren nur eine be-grenzte Messgenauigkeit. Dementsprechend werden gesetzliche Grenzwerte häufig überschritten und wesentlich höhere KW-Gehalte als 15 ppm außenbords eingeleitet, ohne dass der Ölmonitor dies erkennt. Umgekehrt führen Ruß, Rost- und Farbpartikel zu Überbefunden in der Messzelle, was nicht selten zu einer Rückführung von ordnungsgemäß entöltem Bilgenwasser in die Bilge führt.


�� ⋅��

� �� !��

7

Abbildung 2-1: Verfahren der Abwasserbehandlung an Bord

2.3 Internationale Vorschriftenlage

Die Abwasserbehandlung an Bord von Seeschiffen ist mit internationalen und na-tionalen Gesetzen reglementiert. Die IMO („International Maritime Organization“) ist die Regelinstanz für die internationale Gesetzgebung. Die IMO wurde als Un-terorganisation der Vereinten Nationen 1958 als Büro zur Verbesserung der Si-cherheit auf See gegründet. Später wurde als weitere Hauptaufgabe die Präventi-on von Meeresverschmutzung definiert. Die IMO regelt die Einbringung fester und flüssiger Abfallstoffe in die See auf internationaler Ebene durch das 1973 in Lon-don beschlossene Übereinkommen zur Meeresumweltverschmutzung (MARPOL). Nationale Gesetze werden durch die Hafenstaatenkontrollen des jeweiligen Küs-tenstaates umgesetzt.

Schw

arzwasser

Grauw

asser

Küchenabw

asser

Bilgenw

asser

Biologische Behandlung

Desinfektion

15 ppm Entöler

Einleitung in die See

Ölmonitor

< 15 ppm

Bilge > 15 ppm


�� ⋅��

� �� !��

8

2.3.1 Schwarz- und Grauwasser Mit der Einleitung von Schiffsabwasser beschäftigt sich die Anlage IV des IMO-Regelwerkes (MARPOL 73/78). Diese Anlage sieht ein grundsätzliches Verbot der Einleitung von dort definierten Abwässern vor. Als Ausnahme gelten Abwäs-ser, die durch eine behördlich zugelassene Anlage behandelt und desinfiziert wurden. Dabei wird zwischen Schwarzwasser (Abwasser aus Toiletten) und Grauwasser (Abwasser aus Handwaschbecken, Bodenabläufen, Wäscherei, Du-schen und Küchenbereich) unterschieden. Schwarzwasser wird in den zur Zeit vorwiegend installierten Anlagen größtenteils biologisch behandelt, während Grauwasser lediglich in der Nachbehandlungsstufe zusammen mit dem biologisch gereinigten Schwarzwasser mittels Chlorbleichlauge desinfiziert wird.

Obwohl die Anforderungen nach MARPOL Anlage IV nicht sehr weitgehend sind (siehe Tabelle 1), wurde diese Anlage des Regelwerkes dennoch lange Zeit nicht ratifiziert. Erst im September 2003 trat die Anlage IV des MARPOL-Übereinkommens nach weiteren deutlichen Zugeständnissen seitens der IMO durch die Unterzeichnung von Norwegen in Kraft.

Fäkal-Coliforme-Keime max. 250 (250) KBE/100 mL

Abfiltrierbare Stoffe max. 50 (100) mg/L

Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5) max. 50 (100) mg/L

Tabelle 2-1: Anforderung an die Einleitung von gereinigtem Schwarzwasser (gem. MAR-POL)

Die Werte in Klammern gelten für den Betrieb bei Seegang.

Diese Werte gelten in Folge der Anpassung der Anlage IV nicht für Wasserfahr-zeuge < 400 BRT sowie mit Kiellegung vor dem 27.09.2003. Ferner ist es den Hafenstaaten erlaubt, auf nationaler Ebene auf diese Anforderungen zu verzich-ten, wenn sie diese für nicht notwendig, bzw. nicht realisierbar halten. Insgesamt ist die Anlage IV aufgrund dieser Zugeständnisse trotz ihrer Ratifizierung als Rückschritt für den Schutz der Meeresumwelt zu betrachten.

Verschiedene Staaten wie z.B. die USA haben zwischenzeitlich sehr viel strenge-re regionale Vorschriften für spezielle Seegebiete und Schiffstypen hinsichtlich Einleitungsparametern und der regelmäßigen Prüfung der Anlagen erlassen.


�� ⋅��

� �� !��

9

Beispielhaft seien erwähnt:

Helsinki-Übereinkommen (HELCOM)

Übereinkommen von 1992 über den Schutz der Meeresumwelt des Ostsee-gebietes

Mindestanforderungen analog MARPOL

BGBl II. S 1378 8. Änderungsverord-nung von 25.10.1990

Geltungsbereich: Ostsee, analog MAR-POL

BGBl I. S. 1221 vom 06.06.1991 Geltungsbereich: Nordsee, analog MARPOL

USCG, US Coast Guard USA-Küstengewässer < 3 sm v.d. Küste

US-Bundesverordnung 40, Absatz 133, Zusatzregelung „Murkowski“

Inländische USA-Gewässer, speziell Alaska

Miami Date County Inländische USA-Gewässer, speziell Gewässer vor Florida

Tabelle 2-2: Auswahl nationaler Vorschriften

Zu den internationalen Übereinkommen bestehen nationale und regionale (z.B. Ostsee, Mittelmeer, Schwarzes Meer etc.) Verordnungen, die so weit gehen, sog. Zero-Emission-Areas auszuweisen, in denen jegliche Einleitung von Abwasser untersagt ist. Ein Grund für derart strikte Regelungen ist die oftmals ungenügende Reinigungsleistung installierter Abwasserreinigungsanlagen an Bord der Schiffe.

2.3.2 Bilgenwasser Die Einleitung ölhaltiger Wässer nach See ist im Anhang VI der IMO/MARPOL-Konvention geregelt. Schiffe müssen über geeignetes, zugelassenes Oil-Filtering-Equipment verfügen. Die Einleitung von Bilgenwasser mit einem KW-Gehalt von mehr als 15 ppm ist nicht zulässig. Das Lenzen der Bilge, die Abgabe von entöl-tem Bilgenwasser nach See sowie die Menge an gespeichertem und an Land ab-gegebenen Schmutzöl sind in einem Öltagebuch zu vermerken. Oil-Filtering-Equipment und Öltagebuch unterliegen der ständigen Überwachung durch die Hafenstaatenkontrolle.


�� ⋅��

� �� !��

10

2.4 Stand der Technik zu Beginn des Projektes

1999 war der Stand der Technik zum einen wegen der anlagenspezifischen Kon-zeptionen, zum anderen wegen der Prüfbedingungen, unter denen die Funktions-tüchtigkeit der Anlagen getestet wird, verbesserungsbedürftig.

2.4.1 Schwarz- und Grauwasser Die laut MARPOL 73/78 Anhang IV, Regel 8 vorgeschriebene Prüfung von Schiffsabwasser-Aufbereitungsanlagen erfolgt gemäß IMO Entschließung MEPC. 2 VI vom Dezember 1976. Diese Entschließung beinhaltet einen Funktionstest der Abwasserreinigungsanlagen an Land.

Während des 10-tägigen Testprogramms wird der Anlagenablauf auf BSB5, ab-filtrierbare Stoffe und fäkalcoliforme Keime untersucht. Ferner wird die Konzentra-tion an abfiltrierbaren Stoffen im Anlagenzulauf überwacht. Die Beschickung der Anlagen mit Abwasser erfolgt entsprechend der vorgeschriebenen Ganglinie. Werden während der Testphase die o. g. Ablaufgrenzwerte eingehalten, so gilt die Anlage im Bezug auf die biologische Abbauleistung als abgenommen.

In Anlehnung an das ATV Hinweisblatt H 760 „Aufbau und Betrieb von Pilotanla-gen zur Abwasserbehandlung“ weisen die Testbedingungen eine Reihe von Un-klarheiten und Fragen auf, die im folgenden dargestellt sind.

Fraglich ist, ob ein 10-tägiger Test ausreicht, um die Funktionstüchtigkeit einer biologischen Abwasserreinigungsanlage zu untersuchen. Innerhalb dieser kurzen Frist ist nicht damit zu rechnen, dass eine ausreichende Adaption der Biomasse an die Testbedingungen stattfindet und stabile Betriebsbedingungen erreicht wer-den.

In der Regel werden die zu testenden Schiffsabwasser-Reinigungsanlagen mit belebtem Schlamm einer kommunalen Kläranlage angeimpft. Im Test können da-her hohe Biomassenkonzentrationen eingestellt werden, die mit herkömmlichen Anlagen im realen Schiffsbetrieb nicht erreicht werden.

In der Definition der Zulaufbedingungen wird nur der Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen genannt. Eine Festlegung einer mindest BSB5-Fracht bzw. -Konzentration erfolgt nicht. Ein Wirkungsgrad der Anlage ist in Bezug auf die organischen Ab-wasserinhaltstoffe folglich nicht zu ermitteln. Ferner unterscheiden sich die im Schiffsabwasser enthaltenen abfiltrierbaren Stoffe deutlich von denen in kommu-nalem Abwasser. In Schiffsabwasser sind z. B. Sande nur in Ausnahmefällen und dann in sehr geringen Mengen, durch Handwaschpaste oder verschmutzte Klei-dung enthalten.

Die Testbedingungen sehen einen statischen Versuchsbetrieb vor. Lediglich wäh-rend eines Versuchstages wird die Anlage um 22,5° gekippt und dann statisch


�� ⋅��

� �� !��

11

weiter betrieben. Schiffsspezifische dynamische Bewegungen wie Rollen, Stamp-fen, Schlingern und starke Vibrationen werden nicht berücksichtigt, so dass Aus-sagen zur Beeinflussung beispielsweise der Leistungsfähigkeit der Nachklärung nicht gemacht werden können.

Es erfolgt keine Differenzierung zwischen Abwasserzuflüssen aus z.B. militärisch genutzten Schiffen, Frachtschiffen und Passagierschiffen.

Die in den Prüfungskriterien definierten Ganglinien für die Abwasserhydraulik stimmen nicht mit den im Schiff gemessenen Verläufen überein. Kontrollmessun-gen auf Schiffen zur periodischen Überprüfung der Ablaufwasserqualität und der Anlagenfunktion sind in den MARPOL-Regelungen nicht vorgeschrieben und fan-den zu Projektbeginn nicht statt.

Wichtige Anlagenparameter wie der Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken, das Schlammvolumen und der Überschussschlammanfall werden während der Testphase nicht erfasst. Folgeprobleme wie Überschussschlammbehandlung, Lärm- oder Geruchsemis-sonen werden bei den realisierten Anlagenkonzepten nicht berücksichtigt.

Zwischenzeitlich fordern nationale Vorschriften, wie die sog. Alaska 2000 Vor-schriften, für Passagierschiffe, welche in den Gewässern von Alaska fahren, strengere Überwachungswerte sowie Messungen an Bord der Schiffe bei Inbe-triebnahme der Abwasseraufbereitungsanlagen und die periodische Überprüfung der Werte.

2.4.2 Bilgenwasserentölung Durch die Verwendung von Hochdruckreinigungsgeräten und emulgierenden Rei-nigungsmitteln an Bord von Schiffen sind die installierten Schwerkraftentöler häu-fig nicht in der Lage, eine ausreichende Öl-Wassertrennung zu erbringen. Die ge-setzlichen Grenzwerte werden daher häufig überschritten. Da ein Verzicht auf emulgierende Reinigungsmittel aber aufgrund des weltweiten Einsatzes von See-schiffen derzeit nicht umsetzbar erscheint, müssen auf Seiten der Anlagentechnik Vorkehrungen getroffen werden, die eine ausreichende Reinigungsleistung si-cherstellen.

Neben den reinen Verfahrensweisen und Anlagenbauarten ist auch die Peripherie der Entöler von Bedeutung für die Funktionstüchtigkeit. Dem Entöler vorgeschal-tete Pumpen, Rohrleitungen und Ventile fördern beispielsweise die Ausbildung von Emulsionen, wenn es in der Zuleitung zu Verwirbelungen und feinster Vertei-lung des Öles im Wasser kommt.

Die derzeit anzusetzenden Mengen Bilgenwasser, die täglich auf einem Schiff anfallen, berücksichtigen nicht die Größe, das Alter, die Betriebszustände sowie die geographischen Einsatzbereiche eines Schiffes. Differenzierte Daten zum Bil-genwasseranfall sind derzeit nicht verfügbar.


�� ⋅��

� �� !��

12

Für den Betrieb an Bord sind nur zugelassene Bilgenwasserentöler zugelassen. Die Prüfungs- und Zulassungskriterien waren zu Projektbeginn in der MEPC 60 (33) festgeschrieben. Die Prüfvorschrift berücksichtigte nicht die Emulsionsbil-dung in Bilgenwässern der heutigen Zeit. Auch die Entölung störende Substan-zen, wie Salze, Farb- und Rostpartikel und Kühlwasseradditive flossen nicht in die Prüfung ein. Als Prüfflüssigkeit wurden synthetische Öl-Wasser-Gemische aus Dieselöl und Schweröl verwendet. Die Prüfvorschrift wurde in mehrjähriger Arbeit auf internationaler Ebene überarbeitet und im Sommer 2003 angenommen. Künf-tig können Bilgenwasserentöler sowohl mit Schweröl (HFO), Dieselöl (MDO) so-wie einer Prüfflüssigkeit bestehend aus HFO und MDO sowie Salzen und Eisen-oxid getestet werden. Die Entscheidung darüber, welchem Test das Oil-Filtering Equipment unterzogen wird, liegt beim Hersteller. Die Geräte sind künftig eindeu-tig mit Angaben zur erreichbaren Reinigungsleistung zu versehen.

2.5 Projektziel

Im Rahmen des Projektes sollte daher eine optimierte Verfahrenstechnik zur bio-logischen Abwasserreinigung entwickelt werden, angepasst an die schiffbaulichen und betrieblichen Rahmenbedingungen und der Ermöglichung einer wesentlichen Entlastung der Meeresumwelt.

Die zu entwickelnde Anlagentechnik sollte an Bord mehrerer Schiffe installiert und dort zur Reinigung aller anfallenden Abwasserteilströme (Grau-, Schwarz- und entölte Bilgenabwässer) eingesetzt werden.

Die hierfür angewendete Technik wird als „Membranbelebung“ bezeichnet und basiert auf der Kombination des aeroben Belebungsverfahrens zur Abwasserrei-nigung und der Mikrofiltrationstechnik zur Abtrennung des Belebtschlammes vom gereinigten Wasser.

Die Kombination beider Verfahren soll eine wesentliche Verbesserung der Reini-gungsleistung, ein keimfreies Ablaufwasser, eine erhebliche Reduzierung des erforderlichen Beckenvolumens, einen störungsfreien Anlagenbetrieb und eine Senkung des erforderlichen Wartungsaufwandes ermöglichen.

Das mit dem Projekt vorgeschlagene Anlagenkonzept basierte auf der Nutzung eines Membranbioreaktors für den kombinierten Abbau organischer Abwasserin-haltstoffe, für die Nitrifikation sowie die Entkeimung. Bei der Membranbiologie wird der Belebtschlamm durch eine Mikrofiltrationsmembran vom gereinigten Ab-wasser abgetrennt und vollständig im Reaktor zurückbehalten. Das gereinigte Wasser wird entweder durch das Anlegen eines Unterdruckes durch die Membra-nen abgesaugt oder aber mittels Überdruck durch die Mikrofiltrationsmembranen gepresst.

Dem Projekt vorangegangen war eine im Auftrag des Bundesamtes für Wehr-technik und Beschaffung durchgeführte Literaturstudie, bei der die handelsübli-


�� ⋅��

� �� !��

13

chen angebotenen biologischen Verfahren zur Abwasserreinigung auf Schiffen untersucht und in ihrer Leistungsfähigkeit gegenübergestellt wurden. Die Studie ergab, dass diese Anlagen lediglich zur Behandlung des an Bord anfallenden Schwarzwassers eingesetzt werden. Das Grauwasser aus den Bereichen der Du-schen, Handwaschbecken, Wäschereien und Küchen werden in der Regel unbe-handelt in die Meere eingeleitet. Die betrachteten Anlagenkonzepte wiesen im Hinblick auf den Feststoffrückhalt starke verfahrenstechnische Mängel auf.

Anhand eines Folgeauftrages wurden 1995 unterschiedliche Anlagenkonzepte auf einem Versuchsstand getestet und die Verfahrenstechnik optimiert. Die Versuche zeigten, dass eine Kombination aus Belebungsbiologie und Mikrofiltration deutli-che Vorteile gegenüber den konventionellen Anlagentechniken aufwies.

Basierend auf dieser Studie wurden anschließend die Auswirkungen von schiffs-typischen Bewegungen an drei verschiedenen Membrananlagen im Technikum-maßstab getestet. Als betriebssicherste Ausführungsvariante stellte sich hierbei das modifizierte WABAG-SMS-Verfahren heraus. Nach Ablauf der Landtests wur-de der WABAG-Reaktor auf dem U-Bootversorger „Meersburg“ unter realen Schiffsbedingungen getestet. In diesem Reaktor wurde Grau- und Schwarzwasser behandelt.

Ankoppelnd an die erfolgreichen Versuche wurde im September 1999 durch die Firmen Dr. Weßling Beratende Ingenieure (WBI), Gesellschaft für angewandten Umweltschutz und Sicherheit im Seeverkehr (GAUSS) und VA TECH WABAG, Standort Ratingen, das Forschungsprojekt (MEMROD®) für die gemeinsame Be-handlung aller an Bord befindlicher Abwässerströme in einer Membranbele-bungsanlage initiiert.


�� ⋅��

� �� !��

14

3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Das Gesamtprojekt wurde in zwei Teilprojekte untergliedert. Teilprojekt I umfasste die Vorversuche an Land (testing on shore) das Teilprojekt II umfasste die Seeer-probung an Bord der Versuchsschiffe (testing aboard).

3.1 Projektphasen

3.1.1 Teilprojekt I

3.1.1.1 Definitionsphase I Während der Definitionsphase I kam der Arbeitskreis MEMROD® zu einem „start up“ zusammen. Hierbei wurden die Rahmenbedingungen, unter denen das Pro-jekt durchgeführt werden sollte, besprochen. Dazu zählte die Erörterung der bau-lichen Erfordernisse und Beschränkungen sowie der nationalen und internationa-len rechtlichen Aspekte.

Im Anschluss an dieses Treffen erfolgte die Detailabstimmung des Versuchspro-gramms, sowie die Abschätzung von erforderlichen Anlagentechniken, Steue-rungstechniken und baulichen Maßnahmen.

3.1.1.2 Entwicklungsphase Im Rahmen der Entwicklungsphase erfolgte die Detailplanung der für die Vorver-suche benötigten Anlagentechnik sowie deren Beschaffung. In dieser Projektpha-se wurden erste Laborversuche zur Feststellung der Möglichkeiten zur Filtration des Belebtschlamm-Klarwassergemisches und des Bilgenwassers durchgeführt.

Besondere Schwerpunkte der Vorversuche waren die Untersuchung der zu errei-chenden Filtrationsleistung, die Prüfung der Materialbeständigkeit der Mikrofiltra-tionsmembran gegenüber Bilgenwasserinhaltstoffen, die Untersuchung der Adap-tionsfähigkeit des Belebtschlammes gegenüber Bilgenwasserinhaltstoffen und die Untersuchung der einsetzbaren Membranreinigungstechniken.

Nach erfolgreicher Durchführung und Auswertung dieser Versuche erfolgte die Konzeption der Pilotanlage zur Durchführung der Erprobungsphase „on shore“. Den Abschluss der Entwicklungsphase stellte die Erstellung eines Phasenberich-tes dar, der allen Projektbeteiligten zugesandt wurde.


�� ⋅��

� �� !��

15

3.1.1.3 Erprobungsphase „on shore“ Die Erprobung der Pilotanlage wurde auf dem Gelände der Kläranlage Altenberge durchgeführt, da es eine langjährige Zusammenarbeit zwischen der Gemeinde Altenberge als Anlagenbetreiber und der WBI mit ihrem Stammsitz in Altenberge gab und umfangreiche Daten hinsichtlich der Zusammensetzung des zulaufenden kommunalen Abwassers vorlagen.

Im Anschluss an den Bau und der Installation der Pilotanlage erfolgte deren Inbe-triebnahme. Ausgehend von den während der Definitionsphase ermittelten Ab-wasserteilströmen und Schmutzstofffrachten erfolgte die Beschickung der Pilotan-lage mit kommunalem Zulaufwasser der Kläranlage Altenberge sowie Küchenab-wasser.

Der Erprobungsbetrieb umfasste die realitätsnahe Simulation der unterschiedli-chen Schiffsbetriebsbedingungen, die analytische Überwachung der Reinigungs-leistung sowie die Optimierung der Anlagenfunktion. Besondere Untersuchungs-schwerpunkte waren das Verhalten des Belebtschlammes, die dauerhaft erreich-bare Filtrationsleistung, das Verhalten des Filtrationsdruckes, die Energieaufnah-me des Moduls, die erforderlichen Reinigungsintervalle sowie die erreichbare Reinigungsleistung.

Nach Abschluss und Auswertung der Erprobungsphase erfolgte die Erstellung eines Phasenberichtes, der sämtliche relevanten Daten und Versuchsergebnisse enthielt und allen Projektbeteiligten zugesandt wurde.

3.1.1.4 Auswertungsphase I Das Ende des Teilprojektes I wurde durch den Beginn der Auswertungsphase I eingeleitet. Hierbei wurden alle bisher gewonnenen Projektergebnisse in bauli-cher, konstruktiver und verfahrenstechnischer Hinsicht zusammengestellt, aus-gewertet und in einem ersten Bericht dargestellt.

Im Rahmen eines Workshops, wurden die Ergebnisse des Teilprojektes I präsen-tiert und die weitergehende Projektplanung vorgenommen.


�� ⋅��

� �� !��

16

3.1.2 Teilprojekt II

3.1.2.1 Definitionsphase II Mit Beginn der Definitionsphase II erfolgte die Klärung der letzten für die Umset-zung des Anlagenkonzeptes erforderlichen Rahmenbedingungen. Dazu zählte unter anderem die Auswahl der Schiffe (Fährschiff, Hochseeschlepper, Fracht-schiff) für die Erprobung der Verfahrenstechnik sowie die Ermittlung der real im Schiffsbetrieb anfallenden Abwasserteilströme. Die Datenaufnahme umfasste so-wohl die hydraulische wie auch frachtbezogene Abwasseranfallssituation.

Im Rahmen des zu erstellenden Integrationskonzeptes erfolgte die Bemessung der Behandlungsanlagen sowie die Analyse und Anpassung der Anlagentechnik an die jeweiligen schiffsspezifischen Bedingungen. Dazu zählten unter anderem Einbaumöglichkeit, Raumbedarf und Raumangebot, Anlagenbauhöhe, E-Versorgung, Abwasserversorgung, Bilgenwasserversorgung, Misch- und Aus-gleichsbecken, Überschussschlammbehandlung und -speicherung sowie die Ab-luftführung.

Die ausgearbeiteten Baupläne wurden mit den Reedereien abgestimmt und den zuständigen Behörden bzw. Klassifikationsgesellschaften zur Prüfung und Ge-nehmigung vorgelegt. Die Definitionsphase endete mit der Erstellung eines Pha-senberichtes, der an die Projektbeteiligten gesandt wurde.

3.1.2.2 Bau- und Integrationsphase Nach Abschluss der Definitionsphase II erfolgte der Anlagenbau, die Integration der Anlagen in die jeweiligen Schiffe sowie die Abnahme der Anlagen durch die Klassifikationsgesellschaften.

3.1.2.3 Erprobungsphase „aboard ship“ Im Rahmen der Erprobungsphase „aboard ship“ wurden die Inbetriebnahmen der Anlagen von den Projektpartnern gemeinschaftlich durchgeführt. Die Anlagen wurden hierfür mit Belebtschlamm einer kommunalen Kläranlage angeimpft. In der ersten Woche während des Einfahrbetriebes wurde die Anlage von den Pro-jektpartnern an Bord betreut, um den Einfahrbetrieb zu überwachen und erforder-liche Optimierungsmaßnahmen durchzuführen. Zur Sicherstellung eines störungs-freien Betriebs der Anlagen wurde das Betriebspersonal der jeweiligen Schiffe unterwiesen und geschult.

Während der Erprobungsphase „aboard ship“ wurden die Anlagen regelmäßig einer ausgiebigen Kontrolle unterzogen und intensiv beprobt. Unterstützung des Anlagenbetriebes auf den jeweiligen Schiffen wurde fortwährend und umgehend geleistet, wenn besondere Anforderungen dies notwendig machten.


�� ⋅��

� �� !��

17

3.1.2.4 Auswertungsphase II Nach Abschluss der Erprobungsphase „aboard ship“ wurden sämtliche ermittelten Daten zusammengestellt und ausgewertet. Das Gesamtprojektergebnis wird im weiteren Verlauf des Abschlussberichtes zusammengefasst.

3.2 Anlagenplanung Nach Auswahl der Versuchsträgerschiffe wurde die Planung der Anlagen auf Ba-sis aller verfügbaren Planungsdaten, wie den Erfahrungen aus den Landversu-chen, der Daten der einschlägigen Literatur und den in den verschiedenen Vor-schriften wie der unten genannten IMO Empfehlung genannten Auslegungspara-meter durchgeführt.

Weiterhin wurden zur Ermittlung der im Schiffsbetrieb der Versuchsträgerschiffe anfallenden Abwasserteilströme Interviews mit der Besatzung und der Techni-schen Inspektion der Reederei durchgeführt sowie an Bord der Schiffe Messun-gen vorgenommen. Die Datenaufnahme umfasste sowohl die hydraulische wie auch frachtbezogene Abwasseranfallssituation.

Bei der Auslegung der Anlagen und der Erstellung der Konstruktion der Behand-lungsanlagen wurden die jeweiligen schiffsspezifischen Bedingungen wie Ein-baumöglichkeit, Raumbedarf und Raumangebot, Anlagenbauhöhe, E-Versorgung, Abwasserversorgung, Bilgenwasserversorgung, Misch- und Ausgleichsbecken, Überschussschlammbehandlung und –speicherung, vorhandenen Rohrsysteme sowie die Abluftführung berücksichtigt.

3.3 Anlagendimensionierung Das Marine Environment Protection Committee (MEPC) der Internationalen Schifffahrtsorganisation (IMO) empfiehlt als Berechnungsgrundlage für die Ausle-gung von Abwasseraufbereitungsanlagen auf Passagierschiffen [1] folgende Wer-te:

Angaben pro Person und Tag

Schwerkraft-System Vakuum-System

Schwarzwasser 70 l 25 l

Schwarz- und Grauwas-ser

230 l 185 l

Tabelle 3-1: Abwasser auf Passagierschiffen


�� ⋅��

� �� !��

18

Die deutliche Verringerung der bei der Verwendung von Vakuum-(Toiletten-) Sys-temen erzeugten Abwassermenge um 45 l / Person x Tag ist darauf zurückzufüh-ren, dass bei dieser Technik für einen Spülvorgang erheblich weniger Wasser notwendig ist.

Diese empfohlenen Werte werden durch die Literatur bestätigt.

Für Handelsschiffe, d.h. Schiffe ohne Passagiere bzw. Fahrgäste, lagen zu Be-ginn des Projektes keine zuverlässigen Zahlenangaben vor. In Abhängigkeit vom Hersteller wurden die bisher installierten Abwasserreinigungsanlagen für Han-delsschiffe mit folgenden Werten ausgelegt:

Tabelle 3-2: Abwasser auf Handelsschiffen

Dass der Wasserverbrauch auf Seeschiffen mit 155 bis 200 l/(pax x d) gegenüber dem von privaten Haushalten an Land mit 144 l / Tag erheblich höher ist, ist u. a. auch auf die seefahrtsspezifischen Bedingungen zurückzuführen. Schwere kör-perliche Arbeit unter klimatisch schwierigen Bedingungen (Tropenfahrt) steigert erfahrungsgemäß das Bedürfnis nach einer reinigenden Dusche und einem er-höhten Wechsel der (Arbeits-) Kleidung. Auf Passagierschiffen (Fährschiffe, Cruise-Liner) spielen zusätzlich zum Arbeitsalltag der Besatzung die Lebensge-wohnheiten der Fahrgäste eine Rolle. Fährschiffe verzeichnen durch die höher frequentierte Benutzung von Duschen und Toiletten einen erhöhten Wasser-verbrauch zu Beginn und kurz vor Ende der Seereise. Cruise-Liner sind mit einem schwimmenden Hotel zu vergleichen, auf dem die Passagiere ihre Ferien verbrin-gen und aus Comfortgründen z.T. mehrmals täglich duschen.

Die Sammlung und Behandlung von Abwasser an Bord von Schiffen unterschie-det sich von der an Land. Eine Abwassersammelleitung, vergleichbar mit der städtischen Kanalisation, in der jegliche Abwasserströme zusammengefasst wer-den, gibt es auf Schiffen üblicherweise nicht. Aus der Trennung der Rohrleitungs-systeme von Toilette, Dusche, Bad, Handwaschbecken und Küche resultieren einzelne Teilströme.

Angaben pro Person und Tag Schwerkraft-System Vakuum-System

Schwarzwasser 70 l 25 l

Schwarz- und Grauwasser 180 - 200 l 135 - 155 l


�� ⋅��

� �� !��

19

Die Abwässer werden gemäß DIN 86230 folgendermaßen bezeichnet:

- Schwarzwasser (Toilettenabwasser)

- Grauwasser (Dusche, Bad, Handwaschbecken, Galley, Wäscherei)

- Küchenabwasser

Ein wesentlicher Unterschied zum kommunalen Abwasser ist das Fehlen des Re-gen- und Fremdwassers im Gesamtabwasser an Bord eines Schiffes.

Während an Land für die Dimensionierung von Abwasserreinigungsanlagen Ar-beitsblätter und Empfehlungen zur Verfügung stehen, stützt sich die Auslegung von Schiffsabwasserreinigungsanlagen vorwiegend auf Erfahrungswerte. Um ge-sicherte Dimensionierungsdaten zu erhalten, wurden daher im Rahmen des Pro-jektes Erhebungen im Seebetrieb der Versuchsträgerschiffe vorgenommen.

4 Wissenschaftlicher und technischer Stand an den angeknüpft wurde

4.1 Entwicklung der Mikrofiltrationstechnik Die Technik der Partikel abtrennenden Mikrofiltration wurde in den 80iger Jahren zu einem technisch einsetzbaren Verfahren entwickelt. Sie wird heute in weiten Bereichen der Nahrungsmittelindustrie für die Produktfiltration, im Bereich der me-tallverarbeitenden Industrie zur Aufbereitung von Beizbädern und vielen anderen Anwendungsbereichen eingesetzt.

Seit etwa 1992 werden Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationsanlagen in der Kraft-fahrzeugindustrie zur Aufkonzentrierung von kohlenwasserstoffhaltigen Emulsio-nen eingesetzt. Auch im Bereich von Autowaschanlagen finden membrangestütz-te Filtrationstechniken zur Aufbereitung von kohlenwasserstoffhaltigen Wasch-wässern zunehmend Anwendung.

In Deutschland wurden durch die Optimierung und Weiterentwicklung der Mikro-filtrationstechnik in den 90iger Jahren weitere Einsatzgebiete in bisher unbekann-ten Anwendungsbereichen geschaffen. So wurde die Membranfiltration in Kombi-nation mit dem Belebungsverfahren im Bereich der Deponiesickerwasserreini-gung eingesetzt. Dabei kamen und kommen in der Regel cross-flow betriebene Ultrafiltrationsmembranen mit einem Porendurchmesser von ca. 0,05 µm zum Einsatz. Seit etwa 1985 werden Mikrofiltrationsmembranen zur Reinigung von speziellen kommunalen Abwässern wie Hochhausabwasser, Abwasser aus Urlaubssiedlun-gen, und Latrinensystemen etc. in Kanada / USA und in Japan eingesetzt.

Ab etwa 1993 wurde auch in Deutschland der Einsatz von Mikrofiltrationsmemb-ranen im Bereich der kommunalen Abwasserreinigung diskutiert. Anlass dafür war


�� ⋅��

� �� !��

20

die stetig steigenden Anforderungen an die Abwasserbehandlung und die parallel dazu stark angestiegenen Kosten der Abwasserbehandlung.

Im gleichen Zeitraum wurde auch für den Bereich der industriellen Abwasserreini-gung der Einsatz von membrangestützen biologischen Abwasserreinigungsver-fahren zu Reinigung von organisch hochbelasteten Abwässern und Abwässern mit persistenten Verbindungen untersucht.

Seit 1993 wird in Deutschland die Kombination von Belebung und Mikrofiltration für die Schiffsabwasserreinigung untersucht.

Trotz der leistungssteigernden und kosteneinsparenden Möglichkeiten, welche die Kombination des Belebungsverfahrens mit der Mikrofiltrationstechnologie beinhal-tet, war zu Beginn des Projektes der Einsatz des Verfahrens in einer technischen Anlage an Bord von Schiffen nicht realisiert worden.

Alle bis zum Projektbeginn in Deutschland durchgeführten Versuche zur Reini-gung von industriellem und kommunalem Abwasser wurden im labor- oder halb-technischen Maßstab durchgeführt. So wurden halbtechnische Versuche zur Rei-nigung von kommunalem Abwasser mittels Mikrofiltration im Unterdruckverfahren in Immenstaad am Bodensee und durch den Erft-Verband durchgeführt. Beim Erft-Verband wurde 1999 eine großtechnische Anlage errichtet. Des weiteren wurden durch die Berliner-Wasser-Betriebe seit 1993 im Rahmen eines BMBF-Forschungsvorhabens Versuche zur Filtration von Ablaufwasser eines Nachklär-beckens mit unterschiedlichen Membrantypen und -materialien durchgeführt.

Für den Bereich der kombinierten Reinigung von sanitären Schiffsabwässern und vorbehandelten Bilgenabwässern in einer Membranbelebungsanlage steht die Untersuchung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten und die Erprobung des Verfahrens im Bordbetrieb derzeit noch aus.

4.2 Verfahrensbeschreibung

4.2.1 Das Funktionsprinzip

Die Technik der Kombination aus aerober biologischer Abwasserreinigung und Mikro filtration beruht auf dem biologischen Abbau von Schmutzstoffen und der an-schließenden Membrantrennung. Durch Anlegen eines Überdruckes oder Unter-druckes an die teildurchlässige, selektiv wirkende Mikrofiltrationsmembran lassen sich Suspensionen oder Emulsionen in Permeat und Retentat auftrennen. Die Inhaltstoffe des Retentates (Schmutzstoffe) werden dabei zurückgehalten. Das Permeat entspricht dem gereinigten Ablaufwasser der Anlage. Es ist durch den Abbau der Schmutzstoffe im Bioreaktor und die anschließende Mikrofiltration frei von coliformen Keimen und weist nur noch geringe CSB-, BSB5-, Stickstoff- und Phosphorgehalte auf. Damit erfüllt das Ablaufwasser nicht nur alle zur Zeit gel-tenden Grenzwerte sondern unterschreitet sie bei weitem. Aufgrund dieser Wir-


�� ⋅��

� �� !��

21

kungsweise stellt die Mikrofiltrationstechnik in Kombination mit der Belebung ein leistungsfähiges Verfahren zur Aufreinigung kommunaler oder industrieller Ab-wässer dar.

4.2.2 Technik der Membranbiologie

Membrangestütze biologische Abwasserreinigungsverfahren lassen sich prinzi-piell auf drei verschiedene Weisen betreiben.

4.2.2.1 Kontinuierliche Filtration Überdruck betriebene Verfahren

In diesem Fall werden die als Rohre oder Kapillaren ausgebildeten Mikrofiltrati-onsmembranen außerhalb des Bioreaktors angeordnet. Sie werden permanent von dem Belebtschlamm/ Wassergemisch, welches durch eine Pumpe in einem Kreislauf gefördert wird, überströmt. Durch Anlegen eines Überdruckes von ca. 2 bar tritt das Filtrat durch die 0,1 bis 0,4 µm großen Poren der Membranen, wird gesammelt und aus dem System abgeleitet. Der Belebtschlamm bleibt auf der Konzentratseite zurück und wird in den Bioreaktor zurückgeführt. Aufgrund der Strömung, die parallel zur Membranoberfläche geführt wird und damit senkrecht zum Filtratdurchtritt ist, wird dieses Verfahren als „Querstrom-Mikrofiltration“ (engl. Cross Flow Microfiltration) bezeichnet. Die Strömungsgeschwindigkeit wirkt dabei der Ausbildung einer filtrationshemmenden Deckschicht auf der Membranoberflä-che entgegen.

Unterdruck betriebene Verfahren

Bei diesem Verfahren, dem sogenannten „Unterdruck-Mikrofiltrationsverfahren“, werden die als Kapillaren oder Platten ausgeführten Mikrofiltrationsmembranen direkt im Belebungsbecken in getauchter Bauweise installiert. Durch Anlegen ei-nes Unterdruckes von ca. 0,3 bar wird das gereinigte Abwasser aus der im Bele-bungsreaktor enthaltenen Bakteriensuspension durch die Membranen abgesaugt. Zur Erzeugung einer membransäubernden Querströmung wird eine Belüftungs-einrichtung unterhalb der Mikrofiltrationsmembranen angeordnet. Durch die auf-steigende Blasensäule werden an den Membranen ebenfalls Cross-Flow-Bedingungen erreicht, die das Aufwachsen einer Deckschicht verhindern.

4.2.2.2 Semi-kontinuierliche Filtration Überdruck betriebene Verfahren

Beim dritten als „Semi-dead-end-Mikrofiltration“ bezeichneten Verfahren, erfolgt die Filtration des Schlamm-Wassergemisches ohne ständige Überströmung der Mikrofiltrationsmembran. Lediglich zu Reinigungszwecken wird eine Cross-flow-Strömung angelegt, die die gebildete Deckschicht ablöst.


�� ⋅��

� �� !��

22

4.2.3 Kennzeichen der Membranbiologie

Das Verfahren der Membranbiologie weist die im folgenden dargestellten Beson-derheiten im Vergleich mit einer konventionellen Belebungsbiologie auf:

4.2.3.1 Verzicht auf ein Nachklärbecken In konventionellen Belebungsbiologien erfolgt die Trennung des Klarwassers vom Belebtschlamm durch Sedimentation in sogenannten Nachklärbecken. Bei der Membranbiologie wird der Belebtschlamm durch eine Mikrofiltrationsmembran abgetrennt und vollständig im Reaktor zurückbehalten. Das gereinigte Wasser wird durch die Membranen abgesaugt. Die direkt im Reaktor der Belebungsbiolo-gie installierten Mikrofiltrationsmembranen ersetzten so das bei konventionellen Kläranlagen erforderliche Nachklärbecken.

4.2.3.2 Hohe Belebtschlammkonzentration Konventionelle Belebungsbiologien werden mit Trockensubstanzgehalten (ein Maß für die Menge an Belebtschlamm im Bioreaktor) von 3 - 5 g/L im Belebungs-becken betrieben. Membranbiologien werden derzeit mit Trockensubstanzgehal-ten von 15 g/ L bis 25 g/ L gefahren. Da die Abbauleistung einer Kläranlage direkt vom Trockensubstanzgehalt eines Belebungsbeckens abhängig ist, kann der Re-aktor einer Membranbiologie um den Faktor 3 bis Faktor 5 kleiner gebaut werden als bei konventionellen Anlagen, ohne dass eine Minderung der Reinigungsleis-tung erfolgt. Es reduzieren sich daher die Baukosten für den Bioreaktor gegen-über einer konventionellen Belebungsbiologie.

4.2.3.3 Reinigungsleistung Konventionelle Belebungsbiologien reinigen das Abwasser von Stoffen, die CSB (Chemischer-Sauerstoff-Bedarf) und BSB5 (Biochemischer-Sauerstoff-Bedarf) verursachen sowie von Ammonium, Nitrat und Phosphat. Sie erreichen dabei Ab-laufwerte, die den geltenden gesetzlichen Bestimmungen entsprechen. Memb-ranbiologien sind ebenfalls in der Lage, die vorgenannten Stoffe aus dem Abwas-ser zu entfernen. Die Ablaufwerte von Membranbiologien erreichen ebenfalls die gesetzlich vorgegebenen Werte. Im Gegensatz zu konventionellen Belebungsan-lagen ist das Ablaufwasser von Membranbiologien aufgrund des Filtrationsvor-ganges frei von krankheitserregenden Keimen. Das Ablaufwasser erfüllt damit die Werte der EU-Badewasserrichtlinie und damit einen wichtigen Aspekt im Hinblick auf den Gewässerschutz, z.B. in Küstenregionen.


�� ⋅��

� �� !��

23

4.2.3.4 Reduzierung des Überschussschlammes Der Überschussschlammanfall konventioneller Belebungsanlagen liegt zwischen 0,7 kg und 1,0 kg Trockensubstanz je kg abgebautem BSB5. Aufgrund der langen Verweilzeit des Belebtschlammes und der hohen Trockensubstanzkonzentration im Reaktor, verringert sich der Überschussschlammanfall bei Einsatz der Memb-ranbiologie auf 0,2 kg bis 0,4 kg Trockensubstanz je kg abgebautem BSB5. Es reduzieren sich daher die Folgekosten der Klärschlammbehandlung.

4.2.3.5 Prozessstabilität Aufgrund der großen Beckenoberfläche und der langen Verweilzeit des Abwas-sers wird die Abbauleistung einer konventionellen Belebungsbiologie i. d. R. auf Abwassertemperaturen von 10 °C - 15 °C ausgelegt. Bei Membranbiologien er-folgt die Abwasserreinigung in kleinen, kompakten, geschlossenen Reaktoren, die ein Auskühlen des Abwassers durch die geringere Verweilzeit verhindern. Ferner erzeugen die Bakterien im Reaktor durch den hohen Trockensubstanzgehalt ge-nügend Eigenwärme, so dass diese Anlagen auf Abwassertemperaturen von 15 °C bis 20 °C ausgelegt werden können. So ist auch bei niedrigen Außentempera-turen eine hohe Betriebssicherheit der Anlage gegeben.

4.2.3.6 Hydraulische Belastung Die Nachklärbecken konventioneller Belebungsbiologien werden stets auf die bei Regenereignissen zufließende Abwassermenge hin bemessen. Variable Becken-füllstände sind zur Gewährleistung des Abflusses im Freigefälle nicht realisierbar. Dies hat zur Folge, dass die auf den Spitzenzufluss bemessene Beckenkapazität die meiste Zeit nicht genutzt wird. Bei der Membranbiologie können hydraulische Spitzen innerhalb des Bioreaktors gespeichert werden, da dieser aufgrund der nachgeschalteten Filtration nicht auf einem konstanten Füllstand gehalten werden muss. Dies bedeutete für die Anwendung auf Schiffen eine Vergrößerung des verfügbaren Misch- und Ausgleichvolumens. .

4.2.3.7 Energieaufwand Die Trennung des Belebtschlamm/Klarwassergemisches ist im Gegensatz zu kon-ventionellen Anlagen ein aktiver Vorgang, da das gereinigte Abwasser mittels ei-ner Unterdruckpumpe aus dem Reaktor abgesaugt wird. Ferner wird die Mikrofilt-rationsmembran durch Spülungen mit Druckluft von deckschichtbildenden Ablage-rungen freigehalten. Der dafür erforderliche zusätzliche Energieaufwand liegt im Bereich von 0,1 bis 0,2 kW / m³ Abwasser.


�� ⋅��

� �� !��

24

5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

• Gemeinde Altenberge • See-Berufsgenossenschaft, Hamburg • Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen • Umweltbundesamt, Berlin • Wehrtechnische Dienststelle für Schiffe und Marinewaffen (WTD 71), Kiel • Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung (BWB), Koblenz • Germanischer Lloyd, Hamburg • TT-Line GmbH & Co, Lübeck-Travemünde • Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie (BSH), Hamburg • Bundesministerium für Verkehr, Berlin • Finnlines Deutschland AG, Lübeck • Kapitän Manfred Draxl Schiffahrts GmbH & Co, Haren / Ems • Bugsier-,Reederei- und Bergungs-AG,; Hamburg • Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz u. Reaktorsicherheit, Bonn

Wir danken allen Stellen für die gute Zusammenarbeit und Kooperation innerhalb des Projektes. Insbesondere gilt unser Dank den beteiligten Reedereien ohne deren Mithilfe die Projektrealisierung nicht möglich gewesen wäre, den Besatzun-gen der drei Versuchsträgerschiffe, die sich mit großem Engagement um den Be-trieb der Versuchsanlagen gekümmert haben sowie der Gemeinde Altenberge, die uns auf ihrer kommunalen Kläranlage die für den Betrieb der Landanlage er-forderliche Fläche sowie elektrische Energie und Trinkwasser zur Verfügung ge-stellt hat.

Fachlicher Schlussbericht Förderkennzeichen 02WA9963/2 1

�� ⋅��

� �� !��

Membranpaket

Filtrat Filtratsammelleiste

Aufströmkanal

Belüfter

Luft

Suspension

Teil II

1 Darstellung der erzielten Ergebnisse

1.1 Das MEMROD®-Prinzip Im Rahmen des BMBF-Projektes wurde auf der Grundlage der Verfahrenskombi-nation von biologischer Abwasserreinigung und getauchten Mikrofiltrationseinhei-ten der MEMROD®-Reaktor (MEMbrane Reaktor Operation Device) entwickelt und für die Anwendung an Bord von Schiffen optimiert. Hierbei werden Mikrofiltrations-membranen direkt im Bioreaktor eingebaut. Das biologisch gereinigte Abwasser wird ausschließlich durch die Membrane abge-zogen. Die Membranen bilden dadurch eine Barriere für den belebten Schlamm, Suspensa und Bakterien, bis hin zu ag-glomerierten Viren.

Der notwendige Sauerstoff für den aero-ben Abbau der Abwasserinhaltsstoffe wird durch Belüftungseinrichtungen unterhalb der Membranen eingetragen (siehe Abbil-dung 1). Durch die entstehende Aufströ-mung innerhalb des Membranmoduls wird die Membranoberfläche permanent über-strichen und dadurch von anliegenden Feststoffen befreit. Durch den geringen Saugdruck von 0,1...0,2 bar (maximal 0,6 bar) auf der Transmembranseite wird die Bildung von festen Filterkuchen / Deck-schichten auf der Membrane wirksam ver-hindert.

Abbildung 1-1: Membranmoduleinheit


�� ⋅��

� �� !��

Bei der Entwicklung und Optimierung der Anlagentechnik konnten die gesetzten Ziele verwirklicht werden. Die entwickelte und optimierte Anlagentechnik bietet für den Bereich der Schiffsabwasserklärung folgenden Vorteile:

- Platzsparendes und kompaktes Verfahren durch hohe Schlammtrocken-substanz im Reaktor. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den raren Platz an Bord des Schiffes anderweitig gewinnbringend zu nutzen.

- Einfaches, weitgehend automatisiertes Verfahren. Dadurch Entlastung der Mannschaft und Überbrückung von Akzeptanz- und Verständlichkeitsprob-lemen.

- Erlangung wesentlich höherer Abbauleistungen als bislang gesetzlich ge-fordert. Dadurch Sicherheit gegenüber zukünftigen Gesetzesverschärfun-gen und eventuell Möglichkeiten der Einleitung der Abwässer in Berei-chen, die zur Zeit für die Einleitung gesperrt sind (Zero-Emission-Areas).

- Behandlungsmöglichkeit aller Abwässer (Schwarz-, Grau- und vorentöltes Bilgenwasser) in einem Reaktor. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Einsparung von weiteren teuren und platzzehrenden Ausrüstungsteilen. So ist z.B. ein herkömmlicher Bilgenwasserentöler zur Entölung ausrei-chend und man kann auf die Installation eines teuren und empfindlichen Bilgenwassermembranentölers verzichten. Restkohlenwasserstoffe im Bil-genwasser werden in der Membranbiologie durch Ansiedlung von Spezia-listen abgebaut.

- Verzicht auf umweltbelastende und teure Nachbehandlung zu Desinfekti-onszwecken. Die sonst übliche Nachchlorierung entfällt durch die Verwen-dung der Membranbiologie. Das Abwasser entspricht den Vorgaben der EU-Badegewässerrichtlinie ohne weitere Behandlung. Eine Verwendung des Abwassers als Brauchwasser ist denkbar und möglich.


�� ⋅��

� �� !��

Abbildung 1-2: Idee des MEMROD-Prinzips

1.2 Auswahl der Versuchträgerschiffe

Da die Abwassersituation eines Schiffes stark von der Art der Schiffsnutzung und dem Verhältnis Besatzungsstärke zum Bilgenwasseranfall abhängig ist, sollten die Abwasserbehandlungsanlagen auf verschiedenen Schiffen zur Ermittlung der verschiedenen äußeren Einflüsse auf den stabilen Anlagenbetrieb erprobt wer-den.

Bilge

Schw

arzwasser

Grauw

asser

Küchenabw

asser

Bilgenw

asser

Biologische Behandlung Membranfiltration

15 ppm Entöler

Einleitung in die See

Ölmonitor

< 15 ppm

> 15 ppm


�� ⋅��

� �� !��

Folgende Kriterien dienten der Auswahl:

Kriterium Fährschiff Frachtschiff Hochseeschlepper Stark schwankende Be-satzungsstärke

X

nahezu konstante Besat-zungsstärke

X X

Starke hydraulische Schwankungen

X

gleichmäßiger Abwasser-anfall

X X

starke mechanische Be-anspruchung (Rollwinkel, Rollperiode)

(X) X

thermische Beanspru-chung (Tropenverkehr)

X

Bilgenwasser / Sanitärab-wasser Verhältnis

X X X

Tabelle 1-1: Abwassersituationen auf verschiedenen Schiffen

An Bord der einzelnen Schiffstypen sollten die Anlagen zur Reinigung der anfal-lenden Grau-, Schwarz- und Küchenabwässer sowie von vorbehandeltem Bil-genwasser eingesetzt werden.

1.3 Kriterien zur Auswahl der Schiffe Die Erprobung der Abwasserbehandlungsanlagen sollte nur an Bord von solchen Schiffen erfolgen, die möglichst mehrere der o.g. Kriterien erfüllten. Zusätzlich waren für die Auswahl der Schiffe noch folgende „weiche“ Faktoren von Bedeu-tung:

1.3.1 Geeignetes Fahrtgebiet Aus logistischen und finanziellen Gründen sollte eine Montage bzw. Demontage der Anlage nur in einem nordeuropäischen, vorzugsweise einem deutschen Hafen erfolgen. Ein regelmäßiges Anlaufen eines nordeuropäischen Hafens sollte die Betreuung der Anlage während der Erprobung erleichtern. Gleichzeitig sollte zu-mindest das Frachtschiff auch in den Tropen / Subtropen fahren.


�� ⋅��

� �� !��

1.3.2 Geeigneter Aufstellungsort Die Maschinenräume moderner Schiffe sind optimiert, so dass zur Verfügung ste-hende Leerräume nur begrenzt vorhanden sind. Um den späteren Rückbau der eingebauten Versuchsanlagen zu ermöglichen, war der Ersatz der vorhandenen Abwasseranlage durch die zu erprobende Anlage nicht möglich, so dass diese zusätzlich aufgestellt werden musste. Die Rohrverbindungen zur vorhandenen Abwasserbehandlungsanlage und zum Entöler sollten aus schiffbaulichen und sicherheitstechnischen Gründen möglichst ohne aufwendige Schott- oder Decks-durchführung möglich sein.

1.3.3 Ausreichende Transportmöglichkeit und Zugänglichkeit Da die zu erprobende Anlage während der – nur wenige Stunden betragenden – Hafenliegezeit an Bord geliefert und montiert werden musste, konnte die Anlage nur über die bauseits vorhandenen Zugänge zum Aufstellungsort transportiert werden. Die Transportwege mussten von ihren lichten Maßen und der Belastbar-keit vorhandener Anschlagpunkte für Transportmittel geeignet sein. Änderungen durch das Anbringen zusätzlicher Anschlagpunkte bzw. das kurzzeitige Entfernen von störenden Rohrleitungen oder anderen, den Transportweg beengenden Ein-bauten konnten nur im Ausnahmefall und in enger Abstimmung mit Reederei und Schiffsleitung durchgeführt werden. Speziell der Einbau der Versuchsanlage in den Maschinenraum der Oceanic erwies sich als äußerst aufwändig und konnte nur durch die Komplettmontage aller Komponenten an Bord sowie die vorherige Planung des Transportweges für das größte Einzelteil mit Hilfe eines Styropor-dummys gelöst werden.

1.3.4 Planbarer Versuchsverlauf Zur Planung der Arbeiten an Bord (Aufmaß, vorherige Messreihen, Installation, Betrieb, Betreuungsbesuche) waren möglichst konstante Verhältnisse hinsichtlich Schiffsbetrieb und Fahrplan von großer Wichtigkeit. Ein plötzlicher Verkauf des Schiffes oder ein neuer Charterauftrag auf der Südhalbkugel hätte den Projektver-lauf akut gefährdet. Die Auswahl des geeigneten Fährschiffes bzw. Hochsee-schleppers war in diesen Punkten im Verhältnis zur Auswahl eines geeigneten Frachtschiffes einfach. Der Einsatz von Fährschiffen wird langfristig geplant, Än-derungen im Fahrplan sind nur marginal zu erwarten. Vergleichbares galt für den Hochseeschlepper.

Ein Wechsel des Fahrplanes, des Fahrtgebietes, des Charterers und Schiffsver-käufe führen jedoch dazu, dass Frachtschiffe für eine Erprobung sehr schlecht "planbar" sind. Gespräche mit Reedereien, Werften und Zulieferern ließen schon im Vorfeld erkennen, dass die o.g. Schwierigkeiten nur schwer vermeidbar sind. In der Vorauswahl befanden sich ca. 25 Schiffe. Davon gelangten dann ca. 9


�� ⋅��

� �� !��

Schiffe in die engere Wahl. Wie erwartet, musste sich das Projekt mit allen Wid-rigkeiten der modernen Frachtschifffahrt arrangieren, die bei der Auswahl eines geeigneten Frachtschiffes vermieden werden sollten.

1.3.5 Vorauswahl Die Vorauswahl der in Frage kommenden Schiffe erfolgte anhand von Über-sichtsplänen ("Generalpläne"), die von den Reedereien zur Verfügung gestellt wurden. Diese Generalpläne waren nicht öffentlich zugänglich. Von den geeigne-ten und von ihren Reedereien für eine Erprobung freigegebenen Schiffen wurden die aktuellen Detailzeichnungen beschafft und gesichtet. Anhand der Bauunterla-gen und Rohrleitungspläne wurden in Abstimmung mit der Reederei Vorschläge für Transportweg, Aufstellungsorte und Verbindungsleitungen erarbeitet.

1.4 Beschreibung der Versuchsanlagen

1.4.1 Landanlage Die „Landanlage“ wurde auf der Kläranlage Altenberge installiert. Hier wurden verschiedene Extremzustände bezüglich Belastung und Hydraulik getestet.

Die Anlage entsprach in ihrer Bemessung und technischen Ausstattung den Ein-heiten, die auf dem Hochseeschlepper und dem Frachtschiff eingesetzt wurden. Durch den Betrieb an Land bestand die Möglichkeit, schiffstypische Situationen schnell zu simulieren und Lösungsstrategien für bestimmte, sich aus dem Betrieb der Versuchsanlagen an Bord ergebende Fragestellungen zu erarbeiten. Ferner wurden während des Versuchszeitraumes Testreihen mit verschiedenen peripheren Systemen gefahren. Es wurden u.a. Filtersysteme zur Vorreinigung des Schwarz- und Grauwassers hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz an Bord von Seeschiffen untersucht. Getestet wurden vorwie-gend Systeme aus den Bereichen der industriellen Filtrati-on, da diese Systeme im Bezug auf ihre kompakte Bauform enorme Vorteile gegenüber den vulominös bauenden Sys-temen aus dem kommunalen Klärbetrieb zeigen.

Ferner wurden die Möglichkeiten zum Anfahren der Bele-bungsbiologie ohne Impfschlamm untersucht und Tests zur Bilanzierung von Bilgenwasserbestandteilen durchgeführt.

Abbildung 1-3: Landanlage


�� ⋅��

� �� !��

1.4.1.1 Verfahrensbeschreibung Das Rohabwasser der Kläranlage Altenberge wird einem Misch- und Ausgleichs-becken zugeleitet. Dieses Becken ist neben dem Zu- und dem Ablauf zum Memb-ranbioreaktor mit einer Überlaufleitung versehen, durch die das Abwasser bei zu hohem Füllstand in den Zulauf der Kläranlage zurückgeführt wird. Der Zulauf-pumpe zum Membranbioreaktor ist eine Zerkleinerungseinheit (Macerator) vorge-schaltet, die im Abwasser mitgeführte Fest- und Faserstoffe zerkleinert. Hierdurch können Verstopfungen der Zulaufpumpe sowie Verblockungen oder Schädigun-gen der Membranen vermieden werden. Zu Versuchszwecken wurde das Abwas-ser aus dem Misch- und Ausgleichsbecken zeitweise über eine Filtervorrichtung geführt. Der Eintrag von zerkleinerten Fest- und Faserstoffe konnte so signifikant vermindert werden.

Das Bilgenwasser für die Versuche an der Landanlage wurde aus dem Haltetank der Transeuropa entnommen, und in einem mit einer Leckwanne ausgestatteten Tank neben der Landanlage gelagert. Aus dem Tank wurde das Bilgenwasser dem Membranbioreaktor mittels einer Dosierpumpe zugeleitet. Die Dosierpumpe war mit einem Schwimmerschalter ausgestattet, um diese vor einem Trockenlau-fen abzusichern.

Die Landanlage wurde auf der Kläranlage Altenberge im März 2001 in Betrieb genommen und bis August 2002 betrieben. Ende August wurde diese Anlage au-ßer Betrieb genommen, gereinigt, mit neuen Membranplatten bestückt und als Messe-Ausstellungsobjekt auf der SMM – SHIPBUILDING; MACHINERY & MA-RINE TECHNOLOGY – vom 24. bis 29.09.2002 in Hamburg ausgestellt. Die An-lage steht zurzeit auf Lager. Eine weitere Verwendung wird zurzeit überprüft.

1.4.2 Oceanic Der Hochseeschlepper „Oceanic“ der Bugsier-, Reederei- und Bergungs-AG, Hamburg wurde 1969 auf der Schichau-Werft in Bremerhaven ursprünglich für die Durchführung großer Schleppaufträge (Oil-Riggs etc.) gebaut. Seit 1996 ist das Schiff an die Bundesrepublik Deutschland verchartet. Standort ist die Deutsche Bucht. Das Schiff dient zusammen mit den bun-deseigenen Mehrzweckschiffen Mellum und Neuwerk im Rahmen des Deutschen Küsten-schutzprogrammes als Sicherheitsschlepper zur Prävention von Schäden durch havarierte Schiffe.

Abbildung 1-4: Oceanic


�� ⋅��

� �� !��

1.4.2.1 Verfahrensbeschreibung Die gesamte Entwässerung an Bord erfolgt nach dem Schwerkraftprinzip. Die Abwasserführung an Bord der „Oceanic“ sieht bereits eine gemeinsame Behand-lung von Schwarz- und Grau-, sowie von Küchenabwasser in der bauseitigen Ab-wasserreinigungsanlage Typ „Hamworthy Super Trident“ vor. Das Küchenabwas-ser liegt in Rohform vor. Eine Zerkleinerung der Abfälle und ein Fettfang sind nicht vorgeschaltet.

Die Zuführung von Bilgenwasser erfolgte aus einem für die Versuchszwecke nachgerüsteten Vorratstank. Bilgenwasser wird an Bord in einem Haltetank ge-sammelt und im Rahmen der monatlichen Bunkeraufenthalte an Land entsorgt. Ein 15 ppm –Entöler ist an Bord vorhanden, wird jedoch aufgrund der Abgabe des Bilgenwassers an Land selten benutzt. Die an Bord anfallenden Bilgenwasser-menge ist aufgrund von Einsatzort, Zustand und Betriebsfühung des Schiffes sehr gering und beträgt ca. 2 – 3 m³/Monat. Da keine direkte Verbindung zwischen En-töler und Versuchsanlage hergestellt werden konnte, wurde durch die Besatzung täglich eine geringe Bilgenwassermenge entölt und in den Vorratstank der Ver-suchsanlage eingefüllt. Durch die gesteuerte Zugabe von entöltem Bilgenwasser zum Abwasser kann eine eventuelle Hemmung der Abbauleistung im Bezug auf die Dosierung von unterschiedlichen Bilgenwassermengen ausgiebig verfolgt wer-den. Die Versuchsanlage wurde reversibel in die bauseitige Verrohrung integriert. Zunächst gelangt das Rohabwasser in die bereits vorhandene AWA, die als Misch- und Ausgleichsbecken genutzt wird. Von dort gelangt das Wasser in den Membranreaktor. Grobstoffe werden mittels Macerator zerkleinert.

Der Zulauf zum Membranreaktor wird durch eine Saug-pumpe nach Sollwert geregelt. Eine Schaumsonde zur geregelten Entschäumerdosierung ist ebenfalls installiert. Messsonden für den Sauerstoffgehalt, den Trockensub-stanzgehalt und den pH-Wert sind installiert, um den Verlauf für die Versuchsauswertungen aufzunehmen. Ein Gebläse liefert den benötigten Sauerstoff für den aero-ben Reinigungsprozess. Das gereinigte Abwasser ge-langt über das Seeventil aussenbords.

Ursprünglich sollte die Abwasserreinigungsanlage an Bord der Oceanic während der Werftzeit im Sommer 2000 installiert werden. Die Werftzeit wurde allerdings von der Reederei auf unbestimmte Zeit verschoben. Die Anlage wurde daher erst im März 2001 und während des normalen Arbeitseinsatzes an Bord installiert und in Betrieb

Abbildung 1-5: Reaktor Oceanic


�� ⋅��

� �� !��

genommen. Da die Inbetriebnahme auf See erfolgte, wurde zunächst mit Zulauf-wasser angefahren. Nach kurzer Betriebszeit zeigte sich eine wiederkehrende Verblockung der Membranen. Aufgrund von fehlender Flockenstruktur und mas-senhaftem Auftreten freier Bakterien musste der Reaktor nochmals mit Impf-schlamm aus einer kommunalen Kläranlage beim nächsten planmäßigen Land-aufenthalt der Oceanic angefahren werden. Die Anlage arbeitete nach der zweiten Inbetriebnahme weitgehend störungsfrei. Nach einer Adaptionszeit der Mikroorganismen und nach Erreichen von stabilen Betriebszuständen wurde mit der Dosierung von Bilgenwasser begonnen. Die Anlage war bis zum planmäßigen Ende der Erprobungszeit im Mai 2002 kontinu-ierlich in Betrieb. Die Reederei hat sich entschlossen, die Anlage nicht weiter zu betreiben, da die Zukunft der Oceanic aufgrund des Nichtzustandekommens ei-nes längerfristigen Vertrages mit dem Charterer zur Zeit ungewiss ist. Ferner war eine über die vertragsgemäße Frist hinausgehende kostenneutrale Wartung der Anlage nicht gegeben. Aus diesen Gründen wurde die Anlage im August 2001 zurückgebaut.

1.4.3 Iberia Das 1.150 TEU-Containerfrachtschiff „Saf-marine Iberia“ der Kapitän Manfred Draxl Schiffahrts GmbH & Co. KG, Haren/Ems wurde 1997 als Neubau Nr. 477 durch die Peene-Werft Wolgast gebaut und ursprüng-lich auf den Namen Liberia getauft. Durch neue Charterverträge wurde das Schiff wäh-rend des Projektes mehrfach umbenannt (SAF Iberia, YM Genova, MV Rahana). Das Schiff wird in südlichen Fahrtgebieten einge-setzt. Dadurch sollte der Einfluss von war-men Umgebungsbedingungen auf die Biologie

Abbildung 1-6: SAF Iberia

getestet werden. Hier sind ca. 17 Personen an Bord. Die Entwässerung an Bord erfolgt nach dem Schwerkraftprinzip. Die tägliche Abwassermenge beläuft sich auf ca. 220 l/Person. Die Abwasserbehandlung an Bord der Iberia erfolgt mittels einer konventionellen Schiffskläranlage Typ MSTP 1b der Fa. Triton-Format. Der gängigen Praxis entsprechend wird nur das Schwarzwasser biologisch behandelt, das Grauwasser sowie das über eine Fettfalle geführte Küchenabwasser werden lediglich durch die Zugabe von Chlorbleichlauge desinfiziert.


�� ⋅��

� �� !��

Im Januar 2002 wurde die Abwasserreinigungsanlage auf der Safmarine Iberia installiert. Aufgrund einer kurzfristigen Fahrplanänderung konnte die anschlie-ßend geplante Inbetriebnahme der Anlage nicht statt-finden und musste auf den nächsten Europaaufenthalt des Schiffes Mitte März 2002 verschoben werden.

Die Anlage lief temporär nicht zufriedenstellend, weil während der Überfahrt auf See vom Schiffsbetriebs-personal keine Anlagenbetreuung im erforderlichen Umfang stattfand. Der Grund für die reduzierte Betreu-ung lag in häufigen personellen Wechseln und der aufgrund eines neuen Chartervertrages geänderten Fahrtroute des Schiffes. Geplant war eine Route zwi-schen Europa und Südafrika mit langen Seephasen und dementsprechend Zeit für Wartung und Betreu-ungsarbeiten. Die neue Fahrtroute enthielt nur Kurz-strecken im Mittelmeer, wobei täglich ein Hafen-

Abbildung 1-7: Reaktor Iberia

aufenthalt mit Containerumschlag vorgesehen war und die Mannschaft aus Zeitgründen für die Kläranlagenbetreuung weitge-hend ausfiel. Rückmeldungen der Schiffsleitung bzgl. der Betriebserfahrungen mit der Anlage erfolgten aus Gründen der Priorität nur sporadisch. Durch Fehlbedie-nungen kam es zu Betriebsstörungen der Anlage, die mehrfach den Einsatz eines Servicetechnikers der Projektgruppe erforderlich machten. Die Zusammenarbeit mit der Besatzung konnte durch die verschiedenen Besuche an Bord und weitere Schulungen erheblich verbessert werden, so dass in der zweiten Hälfte der Ver-suchsphase ein stabiler Anlagenbetrieb erreicht wurde.

Seit Mai 2003 fuhr das Schiff unter dem Namen „Rahana“ im Schwarzen Meer. Da es sich bei dem neuen Fahrtgebiet um ein Sondergebiet mit erhöhten Anforde-rungen an das nach See abgeleitete Schiffsabwasser handelt, wird die Abwas-seranlage nun besser betreut und läuft seitdem zur vollen Zufriedenheit der Be-satzung und der Projektpartner. Dabei stellte sich der völlige Verzicht des MEM-ROD®-Prinzips auf die Verwendung von Desinfektionschemikalien bei der Abwas-serbehandlung als vorteilhaft für die Genehmigungen der einzelnen Hafenstaaten heraus.

Inzwischen haben sich Flaggenstaat, Name und Charter des Schiffes erneut ge-ändert. Unter dem Namen TMM OAXACA läuft es nun unter der Flagge Antiguas Häfen an der Westküste Nordamerikas an.


�� ⋅��

� �� !��

Die Reederei hat sich zwischenzeitlich entschlossen, die Anlage weiter zu betrei-ben.

1.4.4 Transeuropa Die Transeuropa der Finnlines Deutschland AG, Lübeck wurde mit der Bau-Nr. B 501-I/3 in 1995 von der Gdansk Shipyard in Danzig ge-baut. Das Schiff verkehrt als RoPax-Fähre (Kombinierte Fahrzeug- und Personenfähre) zwischen Lübeck und Helsinki. An Bord befin-den sich einschließlich Besatzung bis zu 125 Personen. Vorwiegend werden schwere LKW und ihre Fahrer, aber auch Touristen beför-dert. Mit dem Fährbetrieb soll der Einfluss von Stossbelastungen auf die Biologie getestet werden.

Abbildung 1-8: Transeuropa

Aufgrund der Fahrtroute durch das Sondergebiet der Ostsee sind erhöhte Anfor-derungen an die Reinigung der Schiffsabwässer zu stellen.

1.4.4.1 Verfahrensbeschreibung Die Entwässerung an Bord erfolgt für das Schwarzwasser im Vakuumverfahren. Grau- und Küchenwasser werden im freien Gefälle abgeleitet. Das Abwasser auf der „Transeuropa“ wurde wie folgt behandelt. Schwarzwasser wurde zusammen-geführt und in einer zentralen Einheit behandelt. Grau- und Küchenabwasser wurde in Tanks gesammelt und das Bilgenwasser mittels eines konventionellen Koaleszenzabscheiders vorentölt. Die an Bord anfallende Abwassermenge belief sich nach den im Vorfeld der Anlagenplanung durchgeführten Messungen auf ca. 130 l/Person und Tag. Der Bilgenwasseranfall beträgt im Mittel ca. 2,5 m³/Monat und ist starken Schwankungen unterworfen.


�� ⋅��

� �� !��

Für die Versuchsanlage wird das Grauwasser, Küchen-abwasser und vorentölte Bilgenwasser in einem Tank vereinigt und zwischengespeichert. Das Gemisch aus Grau-, Küchen- und Bilgenwasser aus dem Backbord-tank wird zunächst der bauseits vorhandenen Abwas-seraufbereitungsanlage, die als Misch- und Ausgleichs-becken dient, zugeleitet. Hier wird dem Misch- und Aus-gleichstank auch das an Bord anfallende Schwarzwas-ser zugeleitet.

Vom Misch- und Ausgleichstank aus wird der Abwasser-strom dem Biomembranreaktor zugeführt. Um Verblo-ckungen oder Schädigungen der Membranen zu ver-meiden, ist dem Membranbioreaktor eine Siebanlage

Abbildung 1-9: Reaktor Transeuropa

vorgeschaltet, welche im Abwasser mitgeführte Fest- und Faserstoffe entfernt.

Aufgrund des Aufstellungsortes der Versuchsanlage auf einem Ladedeck musste die Anlage explosionsgeschützt ausgeführt werden.

Die Installation und Inbetriebnahme der Anlage auf der Transeuropa erfolgte im Mai 2002. Nach der Adaptionszeit der Mikroorganismen und nach Erreichen von stabilen Betriebszuständen wurde Mitte 2002 mit der Dosierung von Bilgenwasser begonnen. Die Anlage wurde am 07.08.2002 vom Germanischen Lloyd besichtigt und abgenommen. Die Anlage läuft seit Inbetriebnahme weitgehend störungsfrei.

Im August 2003 wurde die Anlage während eines Werftaufenthaltes einem letzten Service und einer erneuten Abnahme durch den Germanischen Lloyd unterzogen. Die Reederei hat sich entschlossen, die Anlage weiter zu betreiben und weiterhin für innovative Zwecke zu nutzen. Dem BMBF wird in den nächsten 5 Jahren über die gewonnenen Ergebnisse jährlich Bericht erstattet.

1.5 Ergebnisse

Die Entwicklung einer für die Seeschifffahrt anwendbaren biologischen Abwas-seraufbereitung mit nachgeschalteter Membranfiltration zur Reinigung aller an Bord von Schiffen anfallenden Abwässer, dem MEMROD®-Verfahren konnte er-folgreich umgesetzt werden. Die Vorteile dieser Anlagentechnik konnten auf den Schiffsbetrieb übertragen werden. Alle derzeitig national und international gefor-derten Einleitgrenzwerte von gereinigten Abwässern werden erfüllt und sogar ü-bertroffen. Mit der MEMROD®-Technik steht somit ein kompaktes, in der Bedien-barkeit im Schiffsbetrieb unkompliziertes, effektives Verfahren zur Behandlung


�� ⋅��

� �� !��

aller an Bord von Schiffen anfallenden Abwässern zur Verfügung. Durch die der-zeit zu beobachtende weltweite Verschärfung der Vorschriften zur Einleitung von Abwässern aus der Schifffahrt ist zukünftig eine gesteigerte Nachfrage nach ef-fektiven und leistungsstarken Abwasserbehandlungsanlagen zu erwarten. Dies macht sich bereits in der deutlich gesteigerten Anzahl an Anfragen bemerkbar. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass sich trotz der höheren Anschaf-fungskosten - im Vergleich zu konventioneller Technik - die MEMROD®-Technik am Markt schnell etablieren wird.

1.5.1 Abwasseranfall Während herkömmliche, biologische Kläranlagen auf Seeschiffen vielfach nur ei-ne geringe Abbauleistung haben und die Abwässer nur mäßig geklärt einleiten, wird bei Anwendung der Verfahrenskombination Belebungsbiologie / Membran-technik nur vollständig geklärtes Abwasser in die See eingeleitet. Wie eine über-schlägige Schätzung zeigt, ergibt sich eine deutliche Umweltentlastung durch den Einsatz dieser Verfahrenskombination.

So wurden z. B. zwischen den Ostseehäfen Travemünde und Trelleborg 1997 insgesamt 467.262 Passagiere befördert. Für diese Fährlinie sind außerdem fol-gende Daten bekannt:

Reisedauer 7,5 Stunden

Einleitrate (Vakuum-System) 185 l / Tag x Passagier (pax)

Wegstrecke 120 Seemeilen

Tabelle 1-2: Daten für die Ostsee

Daraus ergibt sich nach der Formel

das tägliche Abwasservolumen von ca. 27.000 m³.

Derzeit wird der Schwarzwasseranteil dieses Abwasservolumenstroms dem Stand der Technik entsprechend mittels einer biologischen Dreikammer-Kläranlage geklärt. Der Grauwasseranteil wird ohne vorherige biologische Be-handlung in die dritte Stufe (Desinfektionszelle) geleitet. Das Grauwasser wird hierin zusammen mit dem geklärten Schwarzwasser durch von Natronlauge des-

AbwasservolumenPassagieraufkommen Reisedauer

24Einleitrate

Personen Jahr Stunden ltr

Jahr Stunden Personen Tag=

×

×

× × ×

× × ×

�

��

�

��


�� ⋅��

� �� !��

infiziert und außenbords geleitet. Um eine Differenzierung nach dem Schwarz- und Grauwasseranfall zu erreichen und eine bedarfsgerechte Auslegung der Ver-suchsanlagen zu ermöglichen, wurden im Vorfeld der Anlagenplanung an Bord der Transeuropa und der SAF Iberia Abwassermessungen durchgeführt. Die nachfolgende Tabelle verdeutlicht die Ergebnisse:

Transeuropa Safmarine Iberia Grauwasser 76 L/(pax*d) - Schwarzwasser (mit Vakuumanlage*)

54 L/(pax*d) (inkl. Küchen- und Wasch-wasser)

220 L/(pax*d) (inkl. Grau-, Küchen- und Waschwasser)

Summe 130 L/(pax*d) 220 L/(pax*d)

Tabelle 1-3: Abwasseranfall auf der RoPax-Fähre Transeuropa und der Safmarine Iberia

*(Vakuumanlage nur an Bord der Transeuropa)

Die Messung an Bord der Transeuropa erfolgte auf einer Seereise von Trave-münde nach Helsinki und zurück (3 Tage Seefahrt/Hafen, 2 Tage reine Seefahrt). Auf beiden Seereisen war die Fähre zu ca. 70 % ausgebucht. Passagiere waren vorwiegend Fernfahrer. Das geringe Abwasseraufkommen auf der Transeuropa resultiert aus dem Betrieb der an Bord installierten Vakuumtoilettenanlage sowie aus der ausschließlichen Nutzung der Wäscherei durch das Personal, wodurch geringere spezifische Waschwassermengen verursacht werden. Zum anderen duschen die Passagiere aufgrund der kurzen Fahrtzeit von 2 Tagen seltener, als auf Kreuzfahrtschiffen, so dass auch das Grauwasservolumen hinter den erwarte-ten Volumenströmen zurückbleibt.

Die Durchführung der Messung an Bord der SAF Iberia erfolgte an drei aufeinan-der folgenden Tagen während einer Charter im Bereich der spanischen Atlantik-küste/Mittelmeer mit kurzen Hafenaufenthalten. Eine differenzierte Mengenerfas-sung war wegen fehlender Messstellen nicht möglich. Der höhere pro-Kopf-Verbrauch ist durch die Besonderheiten der Charter (täglich wechselnder Einlauf-hafen mit Containerumschlag) und die Lebensgewohnheiten der Besatzung be-gründet. Auf der Iberia wird außerordentlich viel gewaschen, da die Crew von der Reederei ein Waschmitteldeputat erhält. Die zwei an Bord vorhandenen Wasch-maschinen laufen üblicherweise ohne Pause und verursachen dementsprechend hohe Abwassermengen. Zudem wird auf der Iberia, da das Schiff für die gesamte Besatzung Arbeitsplatz und Wohnraum in einem ist, häufig geduscht und gekocht.

An Bord der Oceanic durften aus Sicherheitsgründen keine Messungen auf See durchgeführt werden. Der Abwasservolumenstrom liegt nach den Erfahrungen aus dem Betrieb der Versuchsanlage bei ca. 150 l pro Besatzungsmitglied und


�� ⋅��

� �� !��

Tag. Eine Differenzierung nach Schwarz- und Grauwasser war nicht möglich. Der gegenüber der Iberia geringere Abwasseranfall ist u.A. auf die in der Ressourcen-schonung und dem Umweltschutz geschulte Besatzung der Oceanic zurückzufüh-ren.

Die anhand der drei aus völlig unterschiedlichen Einsatzbereichen stammenden Schiffe ermittelten Abwasservolumenströme entsprachen in ihrer Größenordnung etwa den Empfehlungen des MEPC und unterschritten diese zum Teil. Für die weitere Anlagenplanung auf die tatsächlich ermittelten Werte zurück gegriffen.

1.6 Anlagenplanung

Anhand der durch Messungen ermittelten Abwasservolumenströme wird deutlich, dass das Abwasseraufkommen auf Schiffen in Abhängigkeit von Schiffstyp, tech-nischer Ausstattung und Einsatzgebiet differieren kann. Eine Standardisierung ist bzgl. des pro Kopf Abwasseraufkommens grundsätzlich möglich, erfordert jedoch eine differenzierte Betrachtung der Verhältnisse an Bord. Bei Refits empfiehlt sich wenn möglich die vorherige Durchführung von Abwassermessungen. Bei der Aus-rüstung von Neubauten kann die ISO 15748, Teil 1 und 2 sowie die ISO 15749, Teil 1 bis 5 zur Dimensionierung herangezogen werden.

Für die Planung der Anlagen hat sich eine weitgehende Standardisierung in Form von Baureihen unterschiedlicher Größe als vorteilhaft erwiesen. Bei der Planung des Anlagendesigns ist der Möglichkeit von Refits Rechnung zu tragen. Aufgrund der beengten räumlichen Verhältnisse lassen sich große Bauteile zum Teil nur mit erheblichem Aufwand an ihren Aufstellungsort bringen. Das Auftrennen der Bord-außenwand oder das Durchbrechen von Decks zur Montage der neuen Anlage verursacht bei der Umrüstung unnötigen Zeitverzug und eine Steigerung der Re-novierungskosten. Durch ein effizientes Anlagendesign, das eine Segmentierung in kleine Komponenten ermöglicht, lassen sich diese kostenintensiven Positionen bereits in der Planungsphase eliminieren.

Bei den MEMROD®-Anlagen kleinerer Baugröße wurde durch Segmentierung erreicht, dass das größte Bauteil eine Kantenlänge von ca. 2 m nicht überschreitet und eine Masse von nicht mehr als 0,5 t aufweist. Bauteile dieser Abmessung lassen sich mit Bordmitteln transportieren ohne zuvor Schiffsbetriebseinrichtun-gen demontieren zu müssen. Ein wesentlicher Eingriff in die Schiffstechnik war somit an Bord der Oceanic und der Iberia nicht notwendig, obwohl die Versuchs-anlagen zusätzlich zur bauseitigen AWA an Bord gebracht wurden.


�� ⋅��

� �� !��

1.6.1 Anlagenbemessung Die Bemessung der Anlagen erfolgte anhand der durch die Erhebungen an Bord ermittelten Grunddaten in Anlehnung an die Arbeitsblätter der Abwassertechni-schen Vereinigung (ATV) A 122 und A 131. Nachstehende Tabelle fasst die zur Bemessung der biologischen Reinigungsstufe notwendigen Daten zusammen. Parameter Erklärung Einheit EW Einwohnergleichwerte EW Qd spez. Abwassermenge pro Tag L/(E*d) Qd,B Bilgenwassermenge pro Tag L/d BSB5 Einwohnerspezifische BSB5-Belastung pro Tag g/(E*d) CBSB5,B durchschnittliche BSB5-Konzentration des Bilgenwas-

sers mg/L

CBSB5,ZB BSB5-Konzentration im Zulauf mg/L CNorg.,ZB Konzentration des organisch gebundenen Stickstoffs im

Zulauf mg/L

CTKN,ZB TKN-Konzentration im Zulauf mg/L CN,ZB CNges.,ZB = 0,9 * CTKN,ZB Annahne [Bischof 98] mg/L SNO3,ZB Annahme, da durch die kurzen Fließstrecken des

Schiffsabwassers kein Vorabbau zu erwarten ist mg/L

SNO3,AN Grenzwert für NO3-N kommunaler Kläranlagen nach [Brüggemann 01]

mg/L

SNH4,AN Annahme, um Ammoniumstickstoff vollständig abzu-bauen

mg/L

Sorg.N,AN Konzentration des organisch gebundenen Stickstoffs im Ablauf nach [ATV 00]

mg/L

TSBB Schlammkonzentration im Belebungsbecken kg/m3

tTS Schlammalter d BTS Schlammbelastung kgBSB5/(kgTS*d) T Bemessungstemperatur °C QMembran Membrandurchsatz L/(m2*h) AMembran Membranfläche m2/Platte Cx Nach [Bischof 98] bei T=20°C mg/L Cs Nach [ATV 00] mg/L fN (interpoliert) bei TS = 20 und Bd,BSB5 < 6000 kg/d nach

[ATV 00] -

fc (interpoliert) bei TS = 20 und Bd,BSB5 < 6000 kg/d nach [ATV 00]

-

α Sauerstoffübergangskoeffizient - foe Mittelwert nach [Bischof 98] g/(m3

Luft*mEintragstiefe)

Tabelle 1-4: Messgrößen zur Berechnung

Die Berechnung wurde aufgrund der sehr unterschiedlichen Schiffsgröße und Einsatzbereiche für jede Anlage separat durchgeführt.


�� ⋅��

� �� !��

1.6.2 Messtechnische Ausstattung Da eine durchgängige Erreichbarkeit der Versuchsträgerschiffe nicht möglich war (s.o.) und sich die Versuchsanlagen im Praxisbetrieb und bei der Bedienung durch die Besatzungen bewähren sollten, wurden zur Aufnahme wichtiger Be-triebsdaten verschiedene Messeinrichtungen und Messwertspeicher installiert, die deutlich über die Standardausstattung einer Schiffsabwasserreinigungsanlage hinausgingen. Mit Hilfe der Messungen wurden Ganglinien folgender Betriebsparameter des Bio-reaktors aufgezeichnet:

- pH-Wert

- O2- Gehalt

- Temperatur

- Transmembrane Druckdifferenz

- Permeat- Durchfluss

- TS- Gehalt

- Füllstand Membranbioreaktor

- Füllstand Misch- u. Ausgleichstank

Die Daten wurden im Minutentakt aufgezeichnet. Zur weiteren Datenverarbeitung wurden Tagesmittelwerte gebildet. Weiterhin erfolgte die digitale Registrierung der Laufzeiten folgender Aggregate:

- Zulaufpumpe

- Macerator

- Permeatpumpe

- Überschussschlammpumpe

1.7 Inbetriebnahme

Nach Fertigstellung der Versuchsanlagen und deren Verrohrung wurde jede An-lage einer Kaltinbetriebnahme im Herstellerwerk unterzogen. Diese erfolgte ohne Membran, da eine Inbetriebnahme der Anlage ohne Impfschlamm zum Verblo-cken der Membranen führen kann und die Membranen nach erstmaliger Befeuch-tung nicht wieder austrocknen dürfen.


�� ⋅��

� �� !��


�� ⋅��

� �� !��

Die Kaltinbetriebnahme wurde daher mit Frischwasser durchgeführt und bestand aus folgenden Punkten:

- Dichtheitsprüfung des MEMROD®-Reaktors, des Misch- und Ausgleichs-tanks, der Rohrleitungen und der Armaturen

- Kontrolle der Drehrichtung der Pumpen und des Gebläses - Prüfen des Zusammenspiels von Zulaufpumpe, Macerator, Permeatpumpe

und Dosierpumpen in Abhängigkeit des Füllstandes in Reaktor und Misch- u. Ausgleichstank

- Leistungsprüfung des Gebläses und Kontrolle des Blasenbildes der Belüf-tungseinheit

- Kontrolle der Wartungs- und Alarmmeldungen

Nach Durchführung der Kaltinbetriebnahme wurden die Versuchsanlagen an ihren Bestimmungsort transportiert, an Bord des jeweiligen Trägerschiffes installiert und an das bauseitige Rohrleitungsystem angeschlossen. Nach der ordnungsgemä-ßen Installation erfolgte eine erneut Kontrolle auf Montagerückstände (Werkzeug, Schrauben, Muttern, Putzlappen usw.). Diese wurden ggf. aus dem Reaktor ent-fernt und die Stellung aller Klappen, Schieber und Kugelhähne geprüft.

Anschließend wurden die Reaktoren mit Belebtschlamm einer kommunalen Klär-anlage befüllt und durchgängig belüftet, um die Mikroorganismen mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen. Als Impfschlamm erwies sich belebter Schlamm mit ho-hem Trockensubstanzgehalt (TS > 4 g/L) als besonders vorteilhaft. Durch einen hohen Anteil sessiler Bakterien, Schlammflocken und abrasiver Partikel wird eine Verblockung der Membranen verhindert.

Nachdem die Reaktoren mit Impfschlamm befüllt waren, wurde die Kalibrierung der Messsonden durchgeführt und anschließend die Anlage im Automatikmodus in Betrieb genommen. Während des darauf folgenden Monats wurden die Anla-gen zunächst noch nicht voll belastet, um den Mikroorganismen eine ausreichen-de Adaptionszeit zur Entwicklung zu ermöglichen. Besonders in dieser Adapti-onsphase der Mikroorganismen kann es zu Schaumbildung im Membranreaktor kommen. Um ein Überschäumen des Reaktors zu vermeiden, wurde in dieser Phase vermehrt Entschäumer zudosiert. Nach dem Erreichen stabiler Betriebszu-stände konnten die Anlage voll belastet und die Entschäumerdosierung auf ein Minimum herabgesetzt werden.

1.8 Wartung Durch die einfache Funktionsweise und den hohen Automatisierungsgrad des MEMROD®-Verfahrens wurde die notwendige Wartung auf ein Minimum redu-ziert. Bedingt durch die eingesetzte Maschinen- u. Messtechnik müssen jedoch grundlegende Wartungsarbeiten durchgeführt werden, um die einwandfreie Funk-tion der Anlagen gewährleisten zu können. Mit einer für jede Versuchsanlage in-


�� ⋅��

� �� !��

dividuell erstellten Bedienungsanleitung wurde der jeweiligen Schiffsbesatzung eine Anweisung zur richtigen und fachgerechten Wartung der Anlage übergeben.

Zusammengefasst sind folgende Prüf- und Wartungsarbeiten erforderlich:

1.8.1 Maschinentechnische und elektrische Ausrüstung Basis für die notwendigen Wartungstätigkeiten sind die Vorschriften der einzelnen Komponentenhersteller, die im Anhang jeder Bedienungsanleitung hinterlegt wur-den. Zum Betreiben der Anlage ist es notwendig, auf Basis dieser Informationen sowie unter Berücksichtigung der tatsächlichen Nutzung der Anlage und der Schichteinteilung einen geeigneten Wartungs- und Schmierplan zu erstellen.

Dabei sind besonders zu prüfen und zu beachten:

- Vorgeschriebener Ölstand in Lager- und Getriebegehäusen - Leckölaustritt durch Undichtigkeiten - Betriebstemperaturen der Maschinen - Veränderung der Laufgeräusche und Schwingungen - Angezeigte Messwerte der Instrumente - Kalibrierung der Messsonden

Alle Störungen, Veränderung der Einstellungen wichtiger Anlagenkomponenten und alle anderen Ereignisse, welche die Anlage betreffen, wurden durch die Be-satzungen in einem Betriebstagebuch notiert.

1.8.2 Membranbioreaktor Folgende Prüfungen wurden durch die Besatzungen regelmäßig durchgeführt:

Tägliche Kontrolle:

- Transmembrane Druckdifferenz mittels Manometer - Durchflussmenge des Permeatwassers. - Wöchentliche Kontrolle: - Aussehen des Permeatwassers - Luftverteilung und –menge - Zustand der Schaumbildung oder Schwimmdecke

1.8.3 Membranreinigung Von Zeit zu Zeit empfiehlt sich eine chemische Reinigung der Membranen, damit der Durchfluss weiter gewährleistet werden kann. Innerhalb des Projektes erfolgte die Reinigung bedarfsgerecht. Eine Reinigung ist dann notwendig, wenn die transmembrane Druckdifferenz einen Wert von 400 mbar mit steigender Tendenz überschreitet. Aufgrund der im Versuchszeitraum gewonnen Erkenntnisse ist ein Reinigungsintervall von ca. 6 Monaten als ausreichend zu betrachten.


�� ⋅��

� �� !��

Um die Membrane von organischem Bewuchs (Fouling) zu reinigen, wird ein Oxi-dationsmittel verwendet. Für die Reinigung von anorganischem Belag (Scaling) wird eine Säurelösung verwendet. Für die Reinigung wird eine 0,5 % Lösung der Säure bzw. Lauge in einem dafür geeigneten Behälter angesetzt.

Der Behälter mit der Reinigungsflüssigkeit wurde auf einer Ebene oberhalb des Membran-Bioreaktors aufgestellt, damit die Reinigungsflüssigkeit im Freigefälle in die Membraneinheit ablaufen konnte. Die Reinigungsflüssigkeit wurde saugseitig durch die Permeatsammelleitung in die Membranen eingefüllt.

Für die Dauer der Membranreinigung wurden die abführenden Pumpen und die Belüftung im Aufströmkanal außer Betrieb genommen. Nach Ablauf der Einwirk-zeit wurde die Reinigungslösung mittels der Permeatpumpe abgelassen und ent-sprechend entsorgt.

Die Zugabe der Reinigungsflüssigkeit im Freigefälle wurde als einfache techni-sche Variante für die Versuchsanlagen gewählt. Spätere MEMROD®-Anlagen werden zur Vereinfachung des Reinigungsvorganges mit einer Reinigungseinheit ausgerüstet, so dass die Reinigungslösung mit einer kleinen Pumpe mit geringen Unterdruck in die Membranen geleitet werden kann.

1.8.4 Optimierung des Lufteintragsystems Bei der Anlagenkonstruktion wie auch bei der Ausführung des Belüftungssystems der MEMROD®-Anlagen wurde dem Kritikpunkt, dass die Durchmischungseinrich-tungen herkömmlicher Anlagen nicht an die Beckengeometrie adaptiert sind und es zur Bildung von unbelüftete Zonen kommt Rechnung, getragen.

Durch den Einsatz von selbstschließenden, mittelblasigen Membranrohrbelüftern wird verhindert, dass Belebtschlamm in die Belüftungseinrichtung eindringen und diese im ungünstigsten Fall verstopfen kann.

Eine optimale Anordnung des Belüftungssystems im Membranreaktor gewährleis-tet eine vollständige Durchmischung und verhindert die Bildung von unbelüfteten, anaeroben Zonen und die damit einhergehende, geruchsintensive Faulschlamm-bildung.

Mit dem MEMROD®-System wird die Entwicklung einer optimal mit Sauerstoff versorgten, vollständig durchmischten und somit leistungsstarken Biologie zur Erreichung der maximalen Reinigungsleistung ermöglicht.

1.8.5 Überschussschlammbehandlung Durch die spezifische Auslegung der MEMROD®-Anlagen kann eine Speicherung des anfallenden Überschussschlammes über eine Zeitdauer von ca. 7 Tagen im Membranreaktor erfolgen. Der anfallende Überschussschlamm ist aufgrund der Anlagenauslegung weitestgehend stabilisiert und kann bei kleineren Schiffen ent-


�� ⋅��

� �� !��

weder außerhalb der 12 Meilen-Zone ins Meer abgegeben, oder an Land entsorgt werden. Auf größeren Schiffen, z.B. Kreuzfahrtschiffen, die an Bord über eine eigene Ab-fallverbrennungsanlage verfügen, soll der anfallende Überschussschlamm mittels eines Dekanters oder einer Zentrifuge entwässert werden. Der entwässerte Schlamm wird dann in der Abfallverbrennungsanlage zugeführt und verbrannt. Der Überschussschlamm wird somit zur Energieerzeugung für den Schiffsbetrieb genutzt.

1.8.6 Bilgenwasserbehandlung

1.8.6.1 Allgemeines Mit der biologischen Behandlung von entöltem Bilgenwasser in einer Abwasser-reinigungsanlage wurde durch das MEMROD-Projekt erstmals versucht, die bis-her strikte Trennung der Abwasserteilströme Schwarz-/Grauwasser und Bilgen-wasser aufzuheben und die Synergieeffekte eines leistungsfähigen Abwasserrei-nigungsverfahrens für die gemeinsame Behandlung aller Teilströme zu nutzen. Die Umsetzung dieses Vorhabens war weniger ein Problem der Technik, sondern vielmehr eine rechtlich aufwändige Aufgabenstellung. Die Ursache hierfür liegt in der unterschiedlichen Behandlung der Teilströme durch die MARPOL-Resolution 73/78 begründet. Beide Teilströme werden durch spezielle Grenzwerte reglemen-tiert, eine Vermischung findet in der internationalen Gesetzgebung faktisch nicht statt. Ferner muss bei einer Kontrolle des Oil-Filtering Equipment die Kette aus Bilgenwasserentöler, Ölmonitor und 3-Wege-Ventil funktionsfähig und frei von Manipulationen sein. Die Überleitung des entölten Bilgenwassers in die Abwas-serbehandlungsanlage war somit nur durch entsprechende Sondergenehmigun-gen rechtlich abzusichern. Eine entsprechende Genehmigung wurde für alle drei Schiffe beantragt und erteilt.

1.8.6.2 Technische Grundlagen Für die Trennung von Öl aus Wasser muss zunächst eine grundlegende Unter-scheidung zwischen freien Ölen und emulgierten Ölen getroffen werden. Freie Öle, bis hin zu den feindispersen Ölen, schwimmen auf dem Wasser auf und sind aus diesem Grund mit einem Ölabscheider nach dem Schwerkraftprinzip einfach zu entfernen. Bei emulgiertem Öl dagegen sind Öl- und Wasserphase so mitein-ander vermischt, dass keine freiwillige Trennung der beiden Phasen erfolgt. Freie Öle finden sich im Bilgenwasser der heutigen Zeit nur noch in geringer Konzentra-tion. Das Bilgenwasser gleicht vielmehr einer stabilen Emulsion aus hochlegierten Schmierölen, Kraftstoffanteilen und Reinigungsflüssigkeiten. Zusätzlich behindern zahlreiche im Bilgenwasser enthaltene Stoffe wie Staub, Rostpartikel, Salze und Additive von z.B. Kühlwasser die Schwerkrafttrennung, so dass der Grenzwert


�� ⋅��

� �� !��

von 15 ppm Kohlenwasserstoffen im Ablauf des Entölers trotz der heute üblichen nachgeschalteten Koaleszenzstufe oft nicht eingehalten wird. Die Industrie hat in Kenntnis dieser Situation inzwischen leistungsgesteigerte Entöler auf Basis der Membranfiltrationstechnik entwickelt. Die Ölabscheidung ist durch den Einsatz von Membranen wesentlich verbessert worden, da mit diesem Verfahren auch emulgierte Öle gespalten und nahezu öl-freies Permeat erzeugt werden kann. Hierfür werden überwiegend Ultrafiltrati-onsmembrane eingesetzt, wenn nicht andere Abwassereigenschaften, wie z.B. sehr hohe Feststoffkonzentrationen, gegen einen solchen Einsatz sprechen. Ult-rafiltrationsmembrane werden aufgrund ihrer kleinen Porengröße für die Spaltung von emulgierten Ölen vermehrt eingesetzt. Membranentöler kommen bisher im Schiffsbetrieb nur vereinzelt zum Einsatz, da sich dieser Bereich noch im Erprobungsstadium befindet. So testet z.B. die Deut-sche Marine Membranentöler auf Fregatten. Auch die Streitkräfte der NATO-Partner USA, Großbritannien, Niederlande, und Norwegen haben sich für die Membrantechnik entschieden und entsprechende Entwicklungsprogramme be-gonnen. Die Anlagen sind im Allgemeinen teuer in der Anschaffung und wartungs-intensiv.

1.8.6.3 Gemeinsame Behandlung mit Abwasser Untersuchungen bezüglich des Einflusses von ölhaltigen Flüssigkeiten auf die Biomasse im Belebungsbecken finden sich in der Literatur in nur geringer Anzahl. In den Jahren 1961 bis 1965 wurden im Batelle-Institut e.V., Frankfurt/Main ver-schiedene Messreihen zu diesem Thema durchgeführt. In den Versuchen wurden Tropfkörper und Belebungsbecken mit Mineralölen, Benzin, Diesel- und Rohöl beschickt. Nach einer Adaptionszeit der Anlagen an eine Mineralölkonzentration von ca. 100 mg/l wurden die Modellanlagen mit synthetischem Abwasser be-schickt. Die Flüssigkeit enthielt Saccharose als Kohlenstoffquelle sowie bis zu 100 mg/l an Mineralölerzeugnissen. Die allgemeine Reinigungsleistung der Anlagen wurde durch die Mineralöle nicht wesentlich beeinträchtigt, auch bei Stoßbelastungen wurde ein Mineralölabbau von bis zu 90 % realisiert. Mikroskopische Untersuchungen der Organismen im Tropfkörper und im Belebtschlamm zeigten, dass der Zusatz von Mineralölen kei-ne Verringerung der Organismenzahl zur Folge hatte. Auch war der biologische Bewuchs des Tropfkörpers nach 1,5 Jahren Betrieb nicht mit einem Ölfilm belegt. Es gelang, Mikroorganismen zu isolieren, die fakultativ Rohöl als Kohlenstoff- und Energiequelle verwendeten. Da aufgrund des Vorliegens von Bilgenwasser als Vielstoffgemisch aus Schmier- und Betriebsstoffen, Reinigungsmitteln, Additven, Seewasser, Rostpartikeln etc. ein toxischer Einfluss einzelner Inhaltsstoffe auf die Belebungsbiologie nicht aus-


�� ⋅��

� �� !��

zuschließen war, wurde der Einfluss der Bilgenwasserzugabe zunächst im Labor-versuch und an der Landversuchsanlage simuliert. Ferner wurde die Zugabe von Bilgenwasser zum biologischen Abwasserreinigungsprozess mit der vorherigen Abtrennung direkt abscheidbarer Öle im Oil-filtering-equipment verknüpft. Zur Untersuchung der Möglichkeiten einer biologischen Nachbehandlung von entöltem Bilgenwasser in der Schiffsabwasserbehandlungsanlage wurde der Bil-genwasserentöler ausgehend vom 3-Wege-Ventil durch eine Leitung mit der Ver-suchsanlage verbunden. So wurde sichergestellt, dass nur entöltes Bilgenwasser der Anlage zugeführt wurde. Öl in Phase hätte in der biologischen Abwasserreini-gung ein Absterben der Biomasse sowie einen Verschluss der Membranen verur-sacht. Anhand von Analysen im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage sowie im Be-lebtschlamm wurde eine Bilanz für die Kohlenwasserstoffe erstellt. Es wurde ü-berprüft, wie hoch der Anteil der tatsächlich biologisch abgebauten Kohlenwas-serstoffe sowie der Anteil der an den Belebtschlamm adsorbierten Kohlenwasser-stoffe ist. Am Beispiel der auf der Oceanic betriebenen Anlage wurde folgende Bilanz er-stellt: Durchschnittl. KW-Zulauffracht 77,8 g/d Durchschnittl. KW-Ablauffracht 1,5 g/d Durchschnittl. KW-Gehalt im Schlamm 32,1 g/kg TS Durchschnittl. TS-Gehalt im Schlamm 20,1 g/l Reaktorvolumen 0,77 m³ ÜSS-Volumen (20 d) 0,6 m³

Tabelle 1-5: Kohlenwasserstoffbilanz Oceanic

Bei einer Bilanzierung über 20 Versuchstage ergibt sich folgende Aufstellung KWAbbau = KWZu – KWAb – KWSchlamm KWAbbau = 1,6 kg – 0,03 kg – 0,9 kg KWAbbau = 0,7 kg ~ 0,03 kg/d Über den Bilanzierungszeitraum von 20 Versuchstagen wurden der Versuchsan-lage über das Bilgenwasser 1,6 kg KW zugeführt. 0,7 kg davon wurden biologisch abgebaut, 0,9 kg adsorbierten an den Belebtschlamm. Die restlichen 0,03 kg ge-langten über den Anlagenablauf außenbords. Die KW-Konzentration im Anlagenablauf lag zu jedem Zeitpunkt deutlich unter den zulässigen 15 ppm für die Einleitung von Bilgenwasser nach See. Ein Anstieg


�� ⋅��

� �� !��

der Ablaufwerte für Schiffsabwasser nach MARPOL Anhang IV war ebenso wenig zu verzeichnen, wie eine Verringerung der Filtrationsleistung. Der Anstieg der Kohlenwasserstoffkonzentration im Belebtschlamm ist messbar. Bei einer Lage-rung von Überschussschlamm an Bord und späteren Abgabe an Land oder einer Verbrennung des Überschussschlammes an Bord (s. Abschnitt Überschuss-schlammbehandlung) gelangen außer dem Restölgehalt im Ablauf der Abwasser-reinigungsanlage keine weiteren Kohlenwasserstoffe außenbords.

1.8.7 Betriebsergebnisse der Versuchsanlagen Die Ergebnisse der Betriebsversuche an Bord der Versuchsträgerschiffe werden in dem Abschlussbericht der RWTH-Aachen „Entwicklung einer Anlagentechnik für die Reinigung von Schiffsabwasser durch die Verfahrenskombination Bele-bungsbiologie/Mikrofiltration (MEMROD) – Bewertung der Leistungsfähigkeit der Versuchsanlagen“ – dargestellt und diskutiert (s. Anhang). In ihrer Zusammenfas-sung kommt die RWTH-Aachen zu dem Schluss, dass alle vier im Rahmen des Projektes betriebenen Anlagen in der Lage waren, Schiffsabwasser den IMO-Richtlinien entsprechend zu reinigen. In allen Fällen wurden die Anforderungen der IMO im Anlagenablauf deutlich unterschritten. Die Grenzwerte für coliforme Keime im Anlagenablauf wurden allein durch die Trenngrenze der eingesetzten Membranen erreicht – der Einsatz desinfizierender Chemikalien war nicht erfor-derlich. Bezüglich der Behandlung von entöltem Bilgenwasser innerhalb der Abwasserrei-nigungsanlage stellt die RWTH-Aachen keinen negativen Einfluss des Bilgenwas-sers auf die Mikrobiozönse der biologischen Reinigungsstufe fest. Der nach MARPOL Annex VI festgeschriebene Grenzwert für Kohlenwasserstoffe von 15 ppm wurde durchgängig eingehalten. Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Membranstufe wird durch die RWTH-Aachen insbesondere die auf der Oceanic betriebene Anlage hervorgehoben. Hier wurden dauerhafte Volumenströme von ca. 20 l/(m² x h) erreicht. Die übrigen Anlagen liegen aufgrund von betrieblichen Störungen und weniger günstiger Be-triebsbedingungen darunter, konnten sich jedoch insgesamt ebenfalls bewähren. Die Autoren folgern, dass bei einer optimierten Überwachung/Wartung der Anla-gen bessere Ergebnisse hätten erzielt werden können. Die RWTH-Aachen schließt mit der Bemerkung, dass die im Rahmen des Projek-tes untersuchten Technologien zu einer deutlichen Leistungssteigerung bei der Reinigung von Schiffsabwässern beiträgt und bei einer stärkeren Verbreitung zu einer Verbesserung der Gewässerqualität führen werden.


�� ⋅��

� �� !��

1.8.8 Ausblick Die Entwicklung einer für die Seeschifffahrt anwendbaren biologischen Abwas-seraufbereitung mit nachgeschalteter Membranfiltration zur Reinigung aller an Bord von Schiffen anfallenden Abwässer, dem MEMROD®-Verfahren, konnte er-folgreich umgesetzt werden. Die Vorteile dieser Anlagentechnik konnten auf den Schiffsbetrieb übertragen werden. Alle derzeit national und international geforder-ten Einleitgrenzwerte von gereinigten Abwässern werden nachweislich erfüllt und sogar übertroffen. Mit der MEMROD®-Technik steht somit ein kompaktes, in der Bedienbarkeit im Schiffsbetrieb unkompliziertes, effektives Verfahren zur Behand-lung aller an Bord von Schiffen anfallenden Abwässern zur Verfügung. Durch die derzeit zu beobachtende weltweite Verschärfung der Vorschriften zur Einleitung von Abwässern aus der Schifffahrt ist zukünftig eine gesteigerte Nachfrage nach effektiven und leistungsstarken Abwasserbehandlungsanlagen zu erwarten. Dies macht sich bereits in der deutlich gesteigerten Anzahl an Anfragen bemerkbar. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass sich trotz der im Vergleich zu konventioneller Technik höheren Anschaffungskosten die MEMROD®-Technik am Markt schnell etablieren wird.

2 Darstellung des voraussichtlichen Nutzens

Zu Beginn des Forschungsprojektes waren die internationalen Regelungen zur Verhütung der Verschmutzung durch Schiffsabwasser noch nicht ratifiziert wor-den, da Anlage IV des MARPOL-Übereinkommens erst international in Kraft tritt, wenn wenigstens 15 Staaten, deren Handelsflotten insgesamt 50 % des Brutto-raumgehaltes der Handelsflotte der Welt ausmachen, die entsprechende Anlage annehmen.

Im September 2003 wurde die Anlage IV des MARPOL-Übereinkommens mit der Unterzeichnung von Norwegen ratifiziert.

Während die Reinigung von Schwarzwasser nun vorgeschrieben ist, umfasst das Übereinkommen jedoch nicht die Behandlung von Grau- und Küchenabwasser. Grau- sowie Küchenabwässer werden zu 95 % ohne Vorbehandlung, vereinzelt nach einer in der Nachbehandlungsstufe erfolgten Desinfektion ins Meer eingelei-tet.

Erst in den letzten Jahren ist mit wachsendem Umweltbewusstsein der öffentliche, wie auch der von der gesetzlichen Seite her resultierende Druck auf die Reede-reien mit der Forderung nach umweltbewusstem Schiffsbetrieb gewachsen und resultiert in der Forderung nach effizienten, wirtschaftlichen und platzsparenden Abwasseraufbereitungssystemen für Schiffe.


�� ⋅��

� �� !��

Wie bereits erläutert, haben verschiedene Staaten ihre nationalen Vorschriften für spezielle Regionen verschärft, so dass die internationale Vorschrift MARPOL IV regional bereits überholt ist, da mit den regionalen neben strengeren Ablaufwer-ten auch die Einleitung von unbehandeltem Grau- und Küchenabwasser untersagt ist.

International sind heute besonders Passagierschiffsreedereien auf der Suche nach geeigneten alternativen Techniken, wobei das MEMROD®-Verfahren mehr und mehr ins Interesse der Reedereien und Werften rückt.

Die im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnde Verfahrenstechnik wird vorrangig an Bord von Fahrgastschiffen, Frachtschiffen, Fähren und Schiffen der Bundes-marine, sowie der NATO einzusetzen sein.

Im Bereich der Fahrgastschiffe (Kreuzfahrtschiffe) ist ein Trend zu immer größe-ren Schiffseinheiten (5.200 Personen und mehr) deutlich erkennbar. Gleichzeitig sind bereits heute in den Zielgebieten des Kreuzfahrttourismus deutliche Effekte der Umweltverschmutzung durch Schiffsabwässer festzustellen. Die sichere und effektive Reinigung der sanitären Schiffsabwässer sowie der Bilgenwässer ge-winnt durch diese Umstände wesentlich an Bedeutung. Da im Bereich der Fahr-gastschiffe die Auftraggeber vermehrt dazu übergehen, den Bereich von Abfall- und Abwasserentsorgung als Gesamtpaket einzukaufen ist es wichtig mit Liefe-ranten aus dem Bereich der Abfallentsorgung zusammenzuarbeiten.

Im Bereich der Deutschen Marine und der NATO ist festzustellen, dass hier in Friedenszeiten die Einhaltung von geforderten Ablaufwerten und die Nutzung umweltgerechter Technik deutlich im Vordergrund steht. Da auch hier Schiffe mit starken Besatzungszahlen eingesetzt werden, ist die Installation einer sicher funk-tionierenden Technik besonders wichtig.

Der Stellenwert der Membrantechnik im Bereich der Schiffsabwasserreinigung hat sich in den vergangenen zwei Jahren drastisch verändert. Nahezu alle namhaften Hersteller konventioneller Schiffskläranlagen beschäftigen sich inzwischen mit der Membrantechnik. Die kompakte Bauform von Membrananlagen und ihre flexible Betriebsweise eignen sich in hohem Maße für den Betrieb auf Schiffen. Zudem erreicht der Ablauf von Membrankläranlagen eine Qualität, die mit konventioneller Technik ohne aufwändige Ertüchtigungsmaßnahmen und zusätzliche Desinfektion nicht erreichbar ist. Die zusätzliche Option, auch vorbehandeltes Bilgenwasser zusammen mit Schwarz- und Grauwasser einer biologischen Nachreinigung zu unterziehen, wurde mit dem MEMROD®-Verfahren als bisher weltweit einzige Technik realisiert.

Aus diesen Vorteilen erwächst neben den Einsatzmöglichkeiten auf Schiffen ein noch nicht abzuschätzendes Potenzial für Anwendungen im Landbereich, beson-ders dort, wo kompakte dezentrale Lösungen benötigt werden.


�� ⋅��

� �� !��

Derzeit zögern potenzielle Nutzer häufig, sich aufgrund der höheren Anschaf-fungskosten und fehlender Erfahrung für die Membrantechnik zu entscheiden, befürworten jedoch nach Abwägung der Vorteile das Biomembranverfahren. Das MEMROD®-Verfahren als eine erprobte Technik deutscher Produktion hat daher gute Chancen, schnell am Markt etabliert werden zu können.

3 Fortschritte auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stel-len

3.1 Triqua bv

Die Firma „Triqua“ mit Sitz in Wageningen/NL hat bei der niederländischen Marine im Stützpunkt Den Helder eine stationäre Biomembrananlage zur Reinigung ölhal-tiger Abwässer aus dem Schiffsbetrieb installiert. Ölhaltige Abwässer aus Bilge, Maschinenräumen sowie von Kraftstoffübernahmeeinrichtungen werden an Land gegeben und bis zur Einleitfähigkeit behandelt.

Weiterhin wurde von Triqua bv eine der MEMROD®-Technologie ähnliche Technik das sog. MemTriq®Marine Verfahren entwickelt. Soweit bekannt basiert das Ver-fahren ebenfalls auf einer biologischen Abwasserbehandlung mit nachfolgender Membranfiltration über getauchte oder Cross-Flow-Membranen. Die Anlage soll in der Lage sein alle anfallenden Schiffsabwässer (Schwarz-, Grau- und Bilgenwas-ser) zu behandeln. Nähere Informationen zum Anlagendesign sowie zu erreichba-ren Stoffkonzentrationen im Ablauf liegen nicht vor.

3.2 ROCHEM UF-Systeme GmbH Die Firma „Rochem UF-Systeme GmbH“ mit Sitz in Hamburg hat ein Verfahren zur Schiffsabwasseraufbereitung entwickelt, dass sogenannte Bio-Filt-Verfahren. Das Verfahren soll geeignet sein, Schiffsabwasser (Schwarzwasser, Küchenab-wasser) zu behandeln. Die Hauptelemente der Bio-Filt®-Anlage sind die Bioreak-tor-Segmente und die FM-Ultrafiltrationsmodule. Bei den Membranmodulen soll es sich um Druckmembranen handeln. Die Mitbehandlung ölhaltiger Abwässer aus dem Schiffsbetrieb ist nicht bekannt.

3.3 QinetiQ, Environmental Sciences Dept.

Die Firma „QinetiQ, Environmental Sciences Dept“, ein Britisches Forschungsin-stitut, hat im Auftrag der britischen Marine ein Verfahren zur Schiffsabwasserauf-bereitung für die Fregatten Typ 23 entwickelt. Das Verfahren und das Anlagende-sign ist dem MEMROD®-Verfahren sehr ähnlich. Eine Anlage wurde auf einer Fregatte des Typs 23 installiert, wurde jedoch aufgrund technischer Probleme inzwischen wieder zurückgebaut.


�� ⋅��

� �� !��

3.4 Martin-Systems AG Die Martin Systems AG bietet unter dem Produktnamen „SiClaro“ Schiffsabwas-serbehandlungsanlagen auf Basis der Membranbelebungstechnik an. Bei den Membranen handelt es sich um Flachmembranen eigener Herstellung, deren Funktionsprinzip mit dem MEMROD®-Verfahren vergleichbar ist. Die Anlagen werden als Komplettlösung mit integrierter Grobstoffabscheidung und Vakuumer-zeugung angeboten. Eine Baureihe mit verschiedenen Ausbaugrößen ist in Vor-bereitung.

3.5 Hamworthy KSE limited, Marine & Offshore Das britische Unternehmen Hamworthy ist als Hersteller konventioneller Schiffs-abwasserbehandlungsanlagen seit langem auf dem Markt der Schiffsaustrüstung bekannt. Hamworthy experimentiert seit ca. 2 Jahren ebenfalls mit Membranbele-bungsanlagen, die mit externen Rohrmodulen ausgestattet sind. Über die Anzahl verkaufter Anlagen und deren Ausbaugrößen liegen keine Informationen vor.

4 Gesamtliste der Veröffentlichungen und Vorträge

4.1 Seminare und Tagungen

- „Umweltaspekte der Seeschifffahrt“, 15. und 26.11.1999 in Bremen Ausstellung der Infowand und des Messemodells und Beratung durch die Mitglieder des MEMROD®-Projektteams

- „Green Shipping“, 16. und 17.02.2000 in Hamburg Ausstellung des Messemodells und der Infowand im Foyer und Bera-tung durch die Mitglieder des MEMROD®-Projektteams.

- „Fresh Water Production and Waste Water Treatment Technologies for Ships and Islands“, 15. – 17.03.2000 in Genua Vorträge durch die Mitglieder des MEMROD®-Projektteams und Aus-stellung der Infowand und des Messemodells. (Vortrag als Anhang beigefügt)

- „13. Fachtagung Weitergehende Abwasserreinigung als Beitrag zum Schutz von Nord- und Ostsee“, 13. und 14.11.2000 in Lübeck Vortrag durch die VA TECH WABAG. (Vortrag als Anhang beigefügt)

- „4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstech-nik – Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbe-handlung“, 11. und 12.09.2001 in Aachen Vortrag durch 3A / VA TECH WABAG


�� ⋅��

� �� !��

- „Ballast Water, Waste Water and Sewage Treatment on Ships and in Ports“, 12. – 14. 09.2001 in Bremerhaven Vorträge durch die Mitglieder des MEMROD®-Projektes

- „International Water Association – World Water Congress“, 15. – 19. 10.2001 in Berlin Posterpräsentation durch VA TECH WABAG

4.2 Veröffentlichungen - „Biologische Abwasserreinigung auf Seeschiffen – MEMROD®-

Projekt“, Wasser und Abfall, Heft 7-8/2001

- „MEMROD® – innovative wastewater treatment“, The Scandinavian Shipping Gazette, Yearbook on Maritime Technology, September 2001

- „Mit allen Wassern gewaschen – Integrierte Reinigung von Schwarz- und Grauwasser an Bord des Segelschulschiffes Gorch Fock“, HAN-SA, Dezember 2001

- Diverse Veröffentlichungen über die Anlage „Gorch Fock“

- „Ökologisch” – Oceanic seit einem Jahr mit Membran-Reaktor-Abwasserreinigung an Bord, HANSA, Februar 2003

- B. Floß: „Vorschlag und Entwicklung von Vorreinigungsverfahren zur Behandlung der Abwässer von Hochseeschiffen nach dem MEM-ROD®- Verfahren einschließlich Auswertung von Betriebserfahrungen an Bord des Hochseeschleppers OCEANIC“, Ratingen 2001

- N. Wölfel: „Entwicklung und Bemessung einer Abwasserreinigungsan-lage nach dem MEMROD®-Prinzip für die RoPax-Fähre TRANSEU-ROPA“, Ratingen 2001

4.3 Sonstiges - MEMROD®-Workshop, mit Informationsvorträgen zum Thema durch

die Mitglieder des MEMROD®-Projektteams, 09.12.1999 in Bremen Workshop Ausstellung des Messemodells

- MEMROD®-Workshop „Abwasserbehandlung auf Seeschiffen“, 22.02.2001 in Bremen

- Vortrag Marinekameradschaft Admiral Graf Spee – Biologische Ab-wasserreinigung mittels SMS-MEMROD® auf Seeschiffen, Ratingen 14.06.2002


�� ⋅��

� �� !��

4.4 Messen - „SMM Shipbuilding, Machinery & Marine Technology“, 26. – 30.

09.2000 in Hamburg Infostand in Zusammenarbeit mit der Universität Bremen mit der Aus-stellung des Messemodells und Beratung durch die Mitglieder des MEMROD®-Projektteams.

- IFAT 2002 vom 13. – 17.05.2002, München – Internationale Fachaus-stellung für Wasser- und Abfalltechnik; Posterpräsentation durch VA TECH WABAG

- „SMM Shipbuilding, Machinery & Marine Technology“, 24. – 29.09.2002 in Hamburg Ausstellung der Landanlage als Messemodell

Dr. Stephan Simon Manuel Finner

Geschäftsführer Diplom-Ingenieur


�� ⋅��

� �� !��

Anhang I

Teil III

Erfolgskontrollbericht


�� ⋅��

� �� !��

Anhang II

Bericht der RWTH-Aachen

Bewertung der Leistungsfähigkeit der Versuchsanlagen Auswertung der Mess- und Analysenergebnisse


�� ⋅��

� �� !��

Anhang III

Quellenverzeichnis

Fachlicher Schlussbericht - Cleaner Production

Documents

Transcript of Fachlicher Schlussbericht - Cleaner Production