Untersuchungen zum Einsatz von gebrauchten Aktivkohlen der RWW in der Abwasserreinigung

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1 Untersuchungen zum Einsatz von gebrauchten Aktivkohlen der RWW in der Abwasserreinigung 13. IFWW-Fachkolloqium am 29. Mai 2013 in Haltern Dr. Schöpel RWW - OE Qualität von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 1

2 Aktivkohle bei RWW im Einsatz Mehrschichtfilter Die RWW setzt seit über 35 Jahren Aktivkohlen als Festbettfilter in ihrer Trinkwasseraufbereitung ( Mülheimer Verfahren ) ein. Bei der Entfernung von organischen Spurenstoffen (Mikroverunreinigungen) erlangt die Kombination Ozonung mit anschließend biologisch wirksamen Mehrschicht- und Aktivkohlefilter eine zentrale Bedeutung. Aktivkohlefilter Einzelne Spurenstoffe wie insbesondere polare Substanzen (z. B. PFT) können nur zeitlich begrenzt durch Adsorption an Aktivkohlen zurückgehalten werden. Wasserwerk Mülheim Styrum-Ost Mülheim Styrum-West Mülheim Dohne Essen Kettwig Anzahl der Filter Schichtdicke Aktivkohle in m Wasserwerk Mülheim Styrum-Ost Filteranlage Filterdurchmesser Füllmenge je Filter in m in m³ 6, Gesamtmenge Aktivkohle in m³ von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 2

3 Ausgangssituation RWW bis 2009 > Sämtliche Aktivkohlen wurden im Laufe der Betriebszeit durchgehend reaktiviert, wobei nur die Transport- und Abbrandverluste durch Frischkohle ( make-up ) ergänzt wurden. > Über die lange Verwendungszeit zeigte sich eine deutliche Schwäche der häufig reaktivierten Aktivkohle in ihrem Leistungsvermögen (Adsorption). > Als Ursache dafür war die lange Verwendungszeit (über 30 Jahre) in Verbindung mit dem niedrigen Verlustersatz durch Neukohle bei der Reaktivierung (ca. 10mal) zu sehen. > Diese Vorgehensweise führt zwangsläufig zu einer verminderten Leistungsfähigkeit (Adsorptionsleistung) und somit zu einer verkürzten Laufzeit in Verbindung mit einer verminderten Sicherheit im Wasserwerksbetrieb. von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 3

4 Neue Strategie der RWW seit 2010 > Durch die in den letzten Jahren nachgewiesenen Spurenstoffe, wie zum Beispiel die Gruppe der perfluorierten Tenside (PFT), Röntgenkontrastmittel (RKM) und Komplexbildner (EDTA), sind neue Herausforderungen für die Aufbereitung des Trinkwassers deutlich geworden. > In den Jahren 2008 und 2009 führte RWW intensive Untersuchungen zur Optimierung (Adsorption) ihrer überalterten Aktivkohlen durch. So wurde u. a. auch der vollständige Austausch der über 30 Jahre im Einsatz befindlichen gebrauchten Aktivkohlen gegen neue Aktivkohlen diskutiert, aber aus verschiedenen Gründen (unbefriedigende Qualität der Neukohlen, Kostengründe etc.) aufgegeben. > Bei RWW wurde ab 2010 eine veränderte Einkaufs- und Reaktivierungsstrategie umgesetzt, die im Kern eine Reaktivierung der gebrauchten Aktivkohlen unter Einsatz eines deutlich höheren Neukohlenanteils ( make-up ) von 30 % und eine Beschaffung am Markt im Bieterverfahren beinhaltet. RWW: Angestrebtes mittleres Reaktivierungsalter der Aktivkohlen von < 3! von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 4

5 Forschungsvorhaben mit Beteiligung von RWW Idee: Einsatz und Vermarktung der gebrauchten Wasserkohlen in der Abwasserreinigung im Klärwerk. Beteiligung der RWW an Forschungsvorhaben zu gebrauchten Aktivkohlen: TZW-Forschungsvorhaben 2008 bis 2010: Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Vorhabens wurden verschiedene gebrauchte Aktivkohlen aus diversen deutschen Wasserwerken unterschiedlicher Rohwasserbeschaffenheit (u. a. Oberflächenwasser, Grundwasser, Quellwasser) auf ihre Eignung in der Abwasserreinigung hin untersucht. Der Abschlussbericht liegt seit Anfang 2011 vor. EGLV-IWW-RWW-Forschungsvorhaben 1. Teil Vorversuche 2010: Die Projektpartner EGLV und RWW beauftragten IWW mit der Durchführung von De- und Adsorptionsversuchen mit gebrauchten Aktivkohlen der RWW im Vergleich zu einer marktüblichen Pulverkohle, wobei für die Adsorptionsversuche ein Abwasser aus einem Krankenhaus eingesetzt wurde. IWW-RWW-Forschungsvorhaben (mit Beteiligung EGLV und RV) 2. Teil Projekt Reaktiv seit 2012: Zielsetzung dieses vom Land NRW (MKULNW) geförderten Vorhabens ist es, ein Konzept zur realen Umsetzung der Wiederverwertung von gebrauchten Aktivkohlen aus der Trinkwasseraufbereitung in der Abwasserreinigung am Beispiel von RWW zu entwickeln. Es soll der Nachweis einer Ressourceneffizienz im Wasserkreislauf untersucht und im Rahmen vorhandener Strukturen und Anlagen der RWW und Pilotanlagen der beteiligten Abwasserverbände erbracht werden. von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 5

6 Ergebnisse Ergebnisse TZW-Forschungsvorhaben: Bei der Nassvermahlung zu Pulveraktivkohlen gilt für alle gebrauchten Wasserwerkskohlen eine Grenzfeuchte von < 40 % Wasseranteil. Diese Grenzfeuchte kann einfach durch Abtropfen und Lufttrocknung der feuchten Wasserwerkskohlen nach Filteraustrag (Feuchte ca. 50 bis 60 %) erreicht werden. Die gebrauchten Wasserwerkskohlen haben nach den Laborversuchen eine hohe Restadsorptionskapazität für viele organische Spurenstoffe. Die Eliminationsraten sind stoffspezifisch, wobei viele Arzneirückstände gut, die Röntgenkontrastmittel aber nur sehr schlecht adsorbiert werden. Die Adsorptionsleistungen handelsüblicher Pulveraktivkohlen (PAC) werden von gebrauchten Wasserwerkskohlen nicht erreicht, wobei sich mit zunehmender Einwirkzeit die Leistungsdifferenz zwischen den gebrauchten Wasserwerkskohlen und den PAC verringert. Die in Laborversuchen festgestellten Ergebnisse konnten in einer Versuchsanlage in der kommunalen Kläranlage Neu-Ulm bestätigt werden. halbtechnischen Es wurden von RWW im Laborversuch vier gebrauchte Wasserwerkskohlen beim TZW untersucht und verschiedene Entfernungsraten wichtiger organischer Spurenstoffe bestimmt. von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 6

7 Ergebnisse Bewertung der Ergebnisse des TZW- Forschungsvorhabens aus Sicht RWW: Es wurden aus allen vier Ruhrwasserwerken jeweils eine gebrauchte Aktivkohle des gleichen Herstellers aus der betreffenden Filteranlage vor der Reaktivierung entnommen. Alle Wasserwerkskohlen waren bis zu 10mal reaktiviert worden, wiesen demnach ein mittleres Reaktivierungsalter von ca. 4 auf und waren damit überaltert. Trotz gleicher Rohwassermatrix (Ruhr) und ähnlich hohen Beaufschlagungen von über jeweils m³ Wasser pro m³ Aktivkohle (= Bettvolumina) je Einsatzzyklus zeigten sich deutliche Unterschiede hinsichtlich der Entfernungsraten der vier untersuchten Wasserwerkskohlen, wobei davon ausgegangen werden muss, dass das Restadsorptionsvermögen durch die lange Betriebszeit in allen vier untersuchten Wasserwerkskohlen sehr gering war. Durch das Aufmahlen der gebrauchten RWW-Wasserwerkskohlen wurde eine Steigerung der Adsorptionsleistung erreicht, allerdings in einem unterschiedlichen Ausmaß. von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 7

8 Ergebnisse Ergebnisse EGLV-IWW-RWW- Forschungsvorhaben 1. Teil: Das Aufmahlen der Wasserwerkskohlen (= Kornkohlen) zu einer handelsüblichen Pulverkohle (PAC) ist bereits nach kurzer Mahlzeit möglich. Für die Desorptionsversuche wurden unterschiedliche Zudosierungen von aufgemahlenen Wasserwerkskohlen in Reinstwasser vorgenommen und anschließend auf die Ruhr-relevanten Spurenstoffe (PSM, Humanpharmaka, RKM, Komplexbildner) hin untersucht. Es zeigte sich, dass lediglich bei sehr hohen Dosiermengen von über 1000 mg Kohle pro Liter Wasser einzelne PFT-Substanzen und EDTA in allerdings sehr geringen Mengen desorbiert werden, alle anderen Substanzen aber vollständig adsorbiert bleiben. Die Adsorptionsversuche (im Labormaßstab) wurden mit der aufgemahlenen Wasserwerkskohle bzw. mit einer handelsüblichen Pulverkohle und einer Wochenmischprobe eines Krankenhausabwassers durchgeführt. - Aufgrund der hohen biologischen Aktivitäten und organischen Vorbelastungen des Krankenhausabwassers waren die Ergebnisse der Isothermen-Versuche nicht aussagefähig. - Dennoch wiesen die Wasserwerkskohlen eine der Pulverkohle vergleichbare gute Adsorptionsleistung auf. Als Ergebnis des Vorhabens wurden weitergehende Untersuchungen von gebrauchten Wasserwerkskohlen im Klärwerk empfohlen. von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 8

9 Ergebnisse IWW-RWW-Forschungsvorhaben (mit Beteiligung EGLV und RV) 2. Teil : Projektstart war der Dezember Entwicklung eines Konzeptes zur realen Umsetzung der Wiederverwertung von gebrauchten Wasserwerkskohlen vom Ausbau in der Filteranlage bis hin zum Einsatz als Pulverkohle im Klärwerk. Nachweis der Ressourceneffizienz unter Berücksichtigung der Beschaffung, Reaktivierung und dem Handling sowie der genehmigungstechnischen und rechtlichen Voraussetzungen. Untersuchungsschwerpunkte: - Optimierung des Trocknungs- und Mahlvorgangs - Eignungstest in der Abwasserreinigung (in vorhandenen Testanlagen im Klärwerk) - Entwicklung eines Logistikkonzeptes (Trocknung, Lagerung, Mahlvorgang, Transport etc.) - Effizienzanalyse der Verfahrensvarianten von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 9

10 Einsatzalternativen gebrauchter Aktivkohlen bei RWW Kohlereaktivierung ab 2010 Frischkohleeinsatz im Klärwerk Verwertung gebrauchte Kohle zu 20 % im Klärwerk Verwertung gebrauchte Kohle zu 100 % im Klärwerk Rücknahme Restkohle Reaktivierer Reaktivierung Altkohle mit 30 % Frischkohle Reaktivierung Altkohle mit 30 % Frischkohle Einkauf 100 % Frischkohle 100% Thermische Reaktivierung Handling 100% Einkauf 100 % Frischkohle Einsatz Klärwerk Verbrennung Kohleverbrauch 130 % Gesamtkosten? /t Filteranlage Wasserwerk Thermische Reaktivierung Rest- Wert? Handling % Filteranlage Wasserwerk gebrauchte Kohle Handling/ Trocknung Mahlen Handling Einsatz Klärwerk Verbrennung 15-20% Kohleverbrauch % Gesamtkosten? /t Handling Filteranlage Wasserwerk 100% gebrauchte Kohle Handling/ Trocknung Mahlen Handling Einsatz Klärwerk Verbrennung Kohleverbrauch 100 % Gesamtkosten? /t Wiederverwertung Rest- Wert? Wasserwerk Klärwerk von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 10

11 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT RWW Rheinisch-Westfälische Wasserwerksgesellschaft mbh Dr. Mathias Schöpel Am Schloß Broich 1-3, Mülheim an der Ruhr T mathias.schoepel@rwe.com von Dr. Schöpel / Qualität (TQ) SEITE 11