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Optimierung der Membranfiltrationstechnik am Beispiel der Kläranlage Leipzig-Markranstädt

Ziel der Untersuchungen ist die Feststellung möglicher Optimierungsmöglichkeiten des Betriebes der Membranfiltrationsanlage der Kläranlage Leipzig-Markranstädt. Grundlage hierfür bildet eine Bilanzierung der Membrananlage. Diese umfasst Massebilanzen für die CSB-, Stickstoff- und Phosphorfrachten. Aufbauend auf den ermittelten Massebilanzen werden detaillierte Lösungsvorschläge wie z.B. die Variation der Rezirkulation einer eingehenden Prüfung unterzogen. Zur Quantifizierung möglicher Einsparpotenziale werden die Parameter des spezifischen Energieverbrauchs für die Gesamtanlage, für die biologische Stufe und für den Cross-Flow ermittelt.

Grundlagen des kolloidalen Stofftransports in der biologischen Abwasserreinigung

Ziel des Projektes ist die Charakterisierung von Kolloiden (dp = 0.001-1 mym) in biologischen Kläranlagen. Es existieren derzeit kaum Erkenntnisse über die kolloiden Frachten in solchen Anlagen und deren Einfluß auf die Reinigungsleistung. Neben einer elementanalytischen Bilanzierung der räumlichen und zeitlichen Varianz der Kolloidkonzentration in technischen Anlagen und Identifizierung von spezfischen Partikelquellen über größenselektive elementare 'Fingerabdrücke' sollen Erkenntnisse über den Verbleib und die chemische und strukturelle Modifikation von Kolloiden durch Wechselwirkung mit Biofilmen gewonnen werden. Die Bilanzierung basiert methodisch auf der induktiv-gekoppelten Plasmamassenspektrometie (ICP-MS). Der Eintrag der Kolloide in das ICP-MS erfolgt entweder durch Kopplung mit einer asymmetrischen Fluß-Feldflußfraktionierung (AF4), die eine vorherige größenselektive Auftrennung erlaubt, oder durch Laserablation von Membranfiltern nach einer mehrstufigen Ultrafiltration. In einem weiteren Schritt soll mit natürlichen (d.h. Kolloiden, die spezifischen Quellen zugeordnet werden können) bzw. künstlichen Tracerkolloiden die Dynamik von makroskopischen kolloidalen Transportvorgängen in techenischen Anlagen bzw. die mikroskopische Wechselwirkung mit Biofilmen in einem Laborfließsystem untersucht werden.

Filterstaubaufbereitung durch Fluessig-Membran-Permeation (FMP)

Bei der FMP handelt es sich um ein Verfahren zur Abtrennung und Anreicherung von Stoffen aus waessrigen Loesungen mit Hilfe von fluessigen Membranen. Es erfolgt dabei simultan an diese Membran eine Extraktion an der Membranaussenseite, ein Huckebacktransport der Metallionen durch die Membran mittels geloester fluessiger Ionenaustauscher und eine anschliessende Reextraktion an der in der Membranphase emulgierten Abstreifloesung. Diese multiple Membranphase wird durch Tensidzusatz stabilisiert. Technologisch gesehen wird dieser Prozess in unserem Technikum folgendermassen realisiert. Filterstaub wird mit Saeure angesetzt (2m3) gelaugt, gefiltert. Dieses Volumen eignet sich fuer den Betrieb der Anlage fuer 24 h. In Loesung sind nun Zink und Kupfer, wobei Kupfer selektiv durch die FMP im Permeator entfernt wird. Der gereinigte Zinkelektrolyt geht zur Weiterverarbeitung. Der Kupferwert wird durch diese Methode um das 40-fache angereichert. Die organische Emulsion wird gespalten und die kupferreiche Phase gelangt zur Gewinnungselektrolyse. Die organische Phase wird mit dem Austrittselektrolyt dieser Elektrolyse erneut emulgiert. Der Elektrolyt dient als Abstreifloesung und der Prozesskreislauf ist geschlossen, nachdem man diese Emulsion dem Permeator wieder zufuehrt.

Leitende Polymermembranen zur selektiven Trennung und Foulingreduktion; Einfluss des Oberflächenpotentials von leitfähigen Polymermembranen (ZETA-Membran) auf das Fouling- und Trennverhalten in der Wasseraufbereitung

Problemstellung: Membranfiltrationsverfahren erlebten in der Aufbereitungstechnik von Wässern in den vergangenen 20 Jahren einen starken Zuwachs. Trotz des steigenden Einsatzes bleibt ein Problemfeld kommerzieller Membranen die Anhaftung und die Adsorption deckschichtbildender Substanzen (sogenanntes Fouling). Das Fouling wird im Niederdruckbereich (Mikro- bzw. Ultrafiltation) vornehmlich durch Partikeln und Kolloide (kolloidales Fouling), sowie organische Makromoleküle (organisches Fouling) und Mikroorganismen (Biofouling) verursacht. Bei Hochdruckfiltrationsverfahren wie der Nanofiltration kommt es vornehmlich zur Adsorption gelöster organischer Substanzen sowie zu Biofouling. Maßnahmen zur Fouling Kontrolle reichen von der Vorbehandlung von Wässern, über die hydrodynamische Optimierung der Strömung im Membranmodul bis zur physico-chemischen Anpassung der Oberflächeneigenschaften der eingesetzten Materialien (größtenteils Polymere). Im letzteren Handlungsfeld möchte vorliegendes Forschungsvorhaben offene Fragestellungen zu Wirkzusammenhängen zwischen Ladungseigenschaften der Membranoberfläche, den resultierenden Fouling und Rückhalteverhalten aufklären. Vorgehensweise: Mittels ionengestützter Beschichtung, Plasma Immersions Ionenimplantation und Beschichtung (PBII&D) genannt, wird die Oberflächenleitfähigkeit herkömmlicher Polymermembranen gezielt erhöht. Entsprechend behandelte Membranen werden in verschiedenen wässrigen Lösungen durch definiertes Anlegen eines elektrischen Potentials (- 1,5 V bis 1,5 V) auf das resultierende Fouling- und Rückhalteverhalten hin untersucht. Die Versuchsergebnisse werden mit bekannten Transportmodellen (elektrokinetische Modelle) verglichen und ggf. werden Modellanpassungen durchgeführt. Diese Erkenntnisse werden dazu genutzt, ein Modell zu erstellen, das zur Simulation des Trennverhaltens bei verschiedenen Betriebsbedingungen genutzt werden kann. Ein besseres, umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenladung der Membran (Zetapotential) und resultierendem Fouling- bzw. Rückhalteverhalten könnte zur gezielten 'potentialgesteuerten Funktionalisierung' von Membranoberflächen eingesetzt werden.

Entwicklung und Zusammensetzung von Mangankrusten und biologischen Gemeinschaften in Verbindung mit den hydrographischen Eigenschaften am Louisville Rücken (SW Pazifik), Vorhaben: Biogeochemie der Wassersäule und Speziation von gelösten Spurenmetallen am Louisville Seamount Rücken

Bottom water data of sediment incubation experiments under anoxic conditions

Enhanced mineral dissolution in the benthic environment is currently discussed as a potential technique for ocean alkalinity enhancement (OAE) to reduce atmospheric carbon dioxide (CO2) levels. This study explores how biogeochemical processes affect the dissolution of alkaline minerals in surface sediments during laboratory incubation experiments. These involved introducing dunite and calcite to organic-rich sediments from the Baltic Sea under controlled conditions in an anoxic to hypoxic environment. The sediment cores were incubated with Baltic Sea bottom water. Eight sediment cores were positioned vertically in a rack. Since the sediment surface was slightly oxidized by the bottom water (∼125 μmol l−1 upon recovery), the cores were left plugged on the top for 13 days to settle after recovery until the sediment surface was anoxic. To achieve chemical conditions that are expected in the natural system, 500l of retrieved sea water were degassed via bubbling with pure dinitrogen gas in batches of 100 l. Afterwards, between 50 and 60 l were transferred into an evacuated gas tight bag. After the transfer, pH and total alkalinity (TA) were measured to determine the dissolved inorganic carbon (DIC) of the water. Afterwards the DIC was increased via adding pure CO2 until a CO2 partial pressure (pCO2 ) of ∼2,300–∼3,300 μatm was established mimicking conditions prevailing in Boknis Eck during summer. Stirring heads were installed on the cores. To prevent the development of oxic conditions, it was ensured that as little gas phase as possible was left in the cores. Elimination of pelagic autotrophs, heterotrophs, and suspended particles was achieved by flushing the cores with modified bottom water for 2 days with a flow rate of 1.5 mml min−1. Afterwards, a continuous throughflow of 700 μl min−1 from the reservoir of modified bottom water was applied, leading to a residence time of ∼2.1 days inside the cores. For the experimental incubations, six cores received additions of alkaline materials, three with calcite (Cal1 - Cal3) and three cores with dunite (Dun1 - Dun3), leading to three replicates per treatment. Two control cores remained untreated (C1, C2). The amount of added substrate was based on the rain rate of particulate organic carbon observed in Boknis Eck (0.5 mmol cm−2 a−). The incubation lasted for 25 days. The volume of water in each core was determined at the end of the experiment via measuring the height of the water column after removing the stirring heads. Bottom water samples were taken from the outflow of each core over a time period of several hours. Thus, samples represent the average outflow over the respective time period. Sampling intervals increased from daily during the first two weeks to every three to four days and weekly towards the end of the experiment. All samples were filtered through a 0.2 µm cellulose membrane filter and refrigerated in 25 ml ZinsserTM scintillation vials. Samples for TA were analyzed directly after sampling by titration of 1 ml of bottom water with 0.02N HCl. Titration was ended when a stable purple color appeared. During titration, the sample was degassed by continuous bubbling with nitrogen to remove any generated CO2 and H2S. The acid was standardized using an IAPSO seawater standard. Acidified sub-samples (30 μl suprapure HNO3- + 3 ml sample) were prepared for analyses of major and trace elements (Si, Na, K, Li, B, Mg, Ca, Sr, Mn, Ni and Fe) by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES, Varian 720-ES).

Experimental data on enhanced benthic weathering in organic rich Baltic Sea sediments

Enhanced mineral dissolution in the benthic environment is currently discussed as a potential technique for ocean alkalinity enhancement (OAE) to reduce atmospheric carbon dioxide (CO2) levels. This study explores how biogeochemical processes affect the dissolution of alkaline minerals in surface sediments during laboratory incubation experiments (January - May 2022). These involved introducing dunite and calcite to organic-rich sediments from the Baltic Sea under controlled conditions in an oxic environment. The sediment cores were incubated with Baltic Sea bottom water. Eight sediment cores were placed in a rack in an upright position. The bottom water was carefully removed via suction and replaced with a known volume (1.5 l – 2.0 l) of filtered (0.2 µm) Baltic Sea bottom water in order to remove pelagic auto- and heterotrophs and suspended particles. The volume of water added depended on the height of sediment in each core which varied slightly due to the recovery method. After this procedure, a gaseous headspace of ca. 10 cm was left in each core. Furthermore, the cores were equipped with adjustable stirring heads that contained ports for inserting optodes to continuously record pH and oxygen (O2) concentrations in the overlying water. In order to prevent anoxic conditions developing, ambient air was bubbled into the water column. The water column in each core was slowly and continuously flushed with a constant throughflow of 40 µl min-1 from a single reservoir of bottom water. The residence time of the water inside the cores was thus about 4 to 5 weeks. Bottom water samples were taken from the outflow of each core over a time period of several hours. Thus, samples represent the average outflow over the respective time period. Sampling intervals increased from daily during the first two weeks to every three to four days and weekly towards the end of the experiment. All samples were filtered through a 0.2 µm cellulose membrane filter and refrigerated in 25 ml ZinsserTM scintillation vials. A 5 ml aliquot was frozen directly after the sampling procedure for later nutrient analysis. Nutrient measurements were performed either via manual photometric measurement (NH4) or using a Seal – AnalyticalTM QuAAtro autoanalyzer (PO43-). Samples for total alkalinity (TA) were analyzed directly after sampling by titration of 1 ml of bottom/pore water with 0.02N HCl. Titration was ended when a stable purple color appeared. During titration, the sample was degassed by continuous bubbling with nitrogen to remove any generated CO2 and H2S. The acid was standardized using an IAPSO seawater standard. Anion element concentrations (SO42-, Cl-, Br-) were determined using ion chromatography (IC, METROHM 761 Compact, conductivity mode). Acidified sub-samples (30 μl suprapure HNO3- + 3 ml sample) were prepared for analyses of major and trace elements (Si, Na, K, Li, B, Mg, Ca, Sr, Mn, Ni and Fe) by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES, Varian 720-ES). At the end of the experiments, the bottom water was removed via suction and the cores were sliced for pore water analysis. The pore waters were recovered by centrifuging each respective sediment layer in 50 ml falcon tubes at 3000 rpm for 10 minutes. Afterwards, the supernatant water was transferred to polyethylene (PE) vials in an Ar-filled glove bag to minimize contact with oxygen. In addition to the parameters listed above, pore waters were analyzed for sulfite (H2S) and Fe2+. For the analysis of dissolved Fe2+ concentrations, sub-samples of 1 ml were taken within the glove bag, immediately stabilized with ascorbic acid and analyzed within 30 minutes after complexation with 20 μl of Ferrozin. For H2S, an aliquot of pore water was diluted with appropriate amounts of oxygen-free artificial seawater and the H2S was fixed by immediate addition of zinc acetate gelatin solution.

Eintragspfade von Mikroverunreinigungen und Resistenzen in Oberflächengewässer

Der Datensatz stammt aus einem Forschungsvorhaben mit dem Ziel die Einleitungen organischer Mikroverunreinigungen, anorganischer Schadstoffe, pathogener Keime und von Antibiotikaresistenzen in Oberflächengewässer besser zu verstehen. Der Datensatz enthält Daten aus chemischen und molekularbiologischen Analaysen von Proben aus den Abläufen von Kläranlagen (Einzelne Tagesmischproben), Mischwasserentlastungen (ereignisbezogene Probennahme) und Regenwasserkanälen (ereignisbezogene Probenahme) aus drei verschiedenen Regionen in Deutschland (eine kleine Mittelstadt sowie zwei Großstädte). Die Extrakte von wässrigen Proben und Schwebstoffproben wurden mittels Flüssigkeitschromatographie gekoppelt an Tandem-Massenspektrometrie (LC–MS/MS) auf 87 ausgewählte organische Spurenstoffen analysiert. Zusätzlich wurden 16 polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, 12 Metall(oid)e sowie die Begleitparameter Gesamt- und gelöster organischer Kohlenstoff (TOC und DOC) nach standardisierten DIN-Verfahren untersucht. Weiterhin enthält der Datensatz Ergebnisse von 16S-Sequenzierungen (PacBio Sequel IIe) der Proben nach Membranfiltration und DNA-Extraktion.

Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von hochwertigem Bioethanol in pharmazeutischer Qualität, TP2: Membranverfahren zur Aufreinigung von Bioethanol

Herstellung von asymmetrischen Vernetzungsmembranen aus Polyvinylalkohol und Derivaten des Polyvinylalkohols zur Meerwasserentsalzung und Reinigung von phenolhaltigen Abwaessern durch umgekehrte Osmose

Ziel der geplanten Arbeiten ist die Entwicklung und Herstellung asymmetrischer Vernetzungsmembranen aus Polyvinylalkohol und Derivaten, welche aufgrund der hohen Bestaendigkeit gegenueber Loesungsmitteln und Phenolen, wie auch aufgrund des guten Rueckhaltevermoegens gegenueber Phenolen und anderen organischen und anorganischen Verbindungen zur Reinigung phenol- und loesungsmittelhaltiger industrieller Abwaesser mit Hilfe des Verfahrens der umgekehrten Osmose geeignet sind.

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