In-situ-Wiederbelebung von MBR-Membranen am Lebensende durch einen vorhangartigen dynamischen Membranprozess

Aus alten Filtern neue Helfer machen

Moderne Städte verlassen sich auf unsichtbare Anlagen, die täglich große Mengen Abwasser reinigen. Einer der Arbeitspferde in diesem System ist der Membranbioreaktor, der feine Kunststofffilter nutzt, um Keime und Schmutz zurückzuhalten. Diese Filter verschleißen jedoch nach wenigen Jahren und werden meist entsorgt, was jährlich Hunderttausende Tonnen Plastikmüll verursacht und Energie- sowie Ersatzkosten in die Höhe treibt. Diese Studie untersucht einen Weg, diesen verschlissenen Filtern ein zweites Leben zu geben, ohne die Reinigungsleistung unter die Ablaufanforderungen sinken zu lassen.

Warum heutige Wasserfilter an Grenzen stoßen

Membranbioreaktoren verwenden sehr feine Filter, um kristallklares Wasser zu erzeugen. Mit der Zeit verstopfen diese Filter jedoch, und ihre Kunststoffoberflächen werden durch Schlamm und Partikel aufgerieben und beschädigt. Selbst wenn nur die dünne äußere Filterhaut verschlissen ist, werden ganze Module entsorgt, weil ihre Leistung zu schnell nachlässt. Weltweit bedeutet das, dass große Mengen nicht abbaubaren Plastiks verbrannt oder deponiert werden und neue Filtermodule in energieintensiven Prozessen und mit Chemikalien hergestellt werden müssen. Gleichzeitig führt das Streben nach maximaler Klarheit oft dazu, dass mehr Energie verbraucht wird als nötig, da viele Anwendungen nicht die höchste Transparenz erfordern.

Ein Vorhang aus Fasern, der seine eigene Haut bildet

Statt sich nur auf eine fragile Filterhaut zu verlassen, verwenden die Forscher ein anderes Konzept, die sogenannte dynamische Membran. Dabei strömt Wasser durch eine gröbere Stütze aus vielen dünnen Hohlfasern, die wie ein Vorhang hängen. Wenn das gemischte Abwasser vorbeifließt, beschichtet sich die natürliche Schlammfraktion im Wasser schnell die Faseroberfläche und die Poren und bildet eine Biofilmlage, die als eigentlicher Filter wirkt. Innerhalb von etwa zehn Minuten liefert diese lebende Beschichtung stabile, relativ klare Ablaufwerte mit einer Trübung unter 5 NTU, nahe der für die sichere Einleitung erforderlichen Klarheit. Computersimulationen zeigen, dass die Vorhang-Anordnung den Wasserfluss beim Hochskalieren gleichmäßiger hält als flache Platten, wodurch die selbst gebildete Schicht gleichmäßig und stabil bleibt.

Vom Abfall zur Ressource: Aufwertung alter Filter

Der zentrale Befund ist, dass die meisten End-of-Life-Module bereits eine stabile innere Stützlage unter der beschädigten äußeren Haut besitzen. Indem nur etwa fünf Prozent dieser Außenhaut entfernt werden, um die innere Stütze freizulegen, verwandelt das Team alte Module in vorhangartige dynamische Membranen. Tests mit gealterten Polyvinylidenfluorid-(PVDF)-Filtern aus realen Kläranlagen zeigen, dass sich, sobald die Stütze freiliegt, Schlammpartikel eher anlagern und eine filtrierende Kuchenlage bilden. Mit nur einer kleinen freigelegten Fläche gewinnen die aufgearbeiteten Module ein Strömungsverhalten ähnlich dem neuer Module zurück, während die Ablauftrübung weiterhin innerhalb der Einleitgrenzwerte bleibt. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn die freigelegten Stellen verstreut statt konzentriert sind, was dünnere, weniger hartnäckige Biofilme fördert, die sich leichter reinigen lassen.

Das System über die Zeit am Laufen halten

Da die neue Filterwirkung in den Poren und innerhalb der aufgebauten Schicht stattfindet und nicht nur an der Oberfläche, funktionieren einige übliche Reinigungsmethoden nicht gut. Einfaches Rückspülen mit sauberem Wasser entfernt nur grobe Fragmente und lässt feine Bewuchsreste in den Poren zurück. Dagegen entfernen Ultraschallbehandlung, mechanisches Bürsten oder kurze Bäder in verdünntem Bleichmittel die Fouling-Schichten effektiv und stellen den Durchfluss wieder her. In einmonatigen Tests mit realem häuslichem Abwasser hielten Module mit fünfprozentiger Freilegung nach wiederholten Reinigungen eine stabile Leistung und hielten die Wasserqualität innerhalb der kommunalen Einleitgrenzen. Ein größerer Pilotversuch, der Städteabwasser behandelte, zeigte, dass die aufgearbeiteten Module leicht trüberen Ablauf als fabrikneue lieferten, die Entfernung wichtiger Schadstoffe wie organischem Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor jedoch im Wesentlichen gleich war.

Große Klima- und Kostenvorteile durch eine kleine Änderung

Die Forscher verglichen den ökologischen Fußabdruck der üblichen Praxis, alte Module zu entsorgen und neue einzubauen, mit ihrem Wiederverwendungsansatz. Pro Quadratmeter Membranfläche verringerte die Wiederverwendungsstrategie die geschätzten CO2-Emissionen um den Faktor 1.070 und senkte die gesamten Umweltkosten um 99,9 Prozent, hauptsächlich durch Vermeidung neuer Kunststoffherstellung und Abfallbehandlung. Modellrechnungen zur schnell wachsenden MBR-Kapazität in China deuten darauf hin, dass die Wiederverwendung in den nächsten zehn Jahren etwa 441.000 Tonnen CO2-Emissionen verhindern und rund 1,29 Milliarden US-Dollar an Betriebs- und Umweltkosten einsparen könnte. Obwohl dieser Ansatz hochqualitative Behandlungen, bei denen extrem klares Wasser erforderlich ist, nicht vollständig ersetzen kann, bietet er für viele Anlagen, insbesondere in ressourcenbegrenzten Regionen, einen praktikablen Weg, die Lebensdauer vorhandener Ausrüstung zu verlängern, Plastikmüll zu reduzieren und den Energie- sowie Geldaufwand zur Wasseraufbereitung zu senken.

Zitation: Liang, Y., Zhang, Y., Ye, F. et al. In-situ revitalizing end-of-life MBR membranes via a curtain-type dynamic membrane process. Nat Commun 17, 4383 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70969-0

Schlüsselwörter: Abwasserbehandlung, Membranbioreaktor, dynamische Membran, Plastikmüll, Kohlenstoffemissionen