Technische Entwicklungen in der Abwasserreinigung zur Elimination von Spurenstoffen. 14. Juni 2016 Dr. Steffen Metzger

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1 Technische Entwicklungen in der Abwasserreinigung zur Elimination von Spurenstoffen 14. Juni 2016 Dr. Steffen Metzger

2 Entwicklung der Abwasserreinigung Stand der Technik : mechanisch-biologische Reinigung mit gezielter Nährstoffelimination Parameter: CSB, N ges, P ges

3 Reinigungsleistung Kläranlagen Daten aus Baden-Württemberg: Quelle: 42. Leistungsvergleich der kommunalen Kläranlagen, DWA-Landesverband Baden-Württemberg (Betriebsjahr 2015) Dokumente/Homepage%202013/Lehrerbereich/referate.2016/04_Schwentner.pdf

4 Verringerung in der Kläranlage [%] Reinigungsleistung Kläranlagen Max 75-Quantil Mittelwert Median 25-Quantil Min Ibuprofen Diclofenac Carbamazepin Ibuprofen Diclofenac Carbamazepin Quelle: Bestandsaufnahme zur Spurenstoffsituation auf Kläranlagen in Baden-Württemberg, KomS-BW gefördert vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft BW Untersuchte Kläranlagen im Rahmen der Bestandsaufnahme zur Spurenstoffsituation in Baden-Württemberg

5 EDTA EDTA EDTA Acesulfam Acesulfam Acesulfam Metformin Metformin Metformin Benzotriazol Benzotriazol Benzotriazol Iomeprol Iomeprol Iomeprol Amidotrizoesäure Guanylharnstoff Iopamidol 4-Methylbenzotriazol Guanylharnstofharnstoff 4-Methylbenzotriazol Amidotrizoesäure Iopamidol Iopamidol Guanylharnstoff 4-Methylbenzotriazol Amidotrizoesäure Guanylharnstoff 4-Methylbenzotriazol Jahresfracht Jahresfracht [kg/a] [kg/a] Jahresfracht [kg/a] Spurenstoffvorkommen im Gewässer Mittlerer Abwasseranteil der beprobten Fließgewässermessstelle Abflusssituation Neckar, Messstation Mannheim: Substanzen mit den 10 höchsten Jahresfrachten * * * * * * * Im Rahmen der Bestandsaufnahme der Spurenstoffsituation in der betrachteten Kläranlage * untersuchte Substanzen mit den sechs höchsten Ablaufkonzentrationen

6 Entwicklung der Abwasserreinigung Verfahrenseruierung und -entwicklung Biologisch - Optimierung bestehender Prozesse - spezialisierte Organismen Physikalisch - Nanofiltration - Umkehrosmose Oxidation - Ozon - AOPs Adsorption - Pulveraktivkohle - granulierte Aktivkohle - synthetische Adsorbentien

7 Entwicklung der Abwasserreinigung Funktionsprinzip Oxidation Adsorption Betriebsmittel Ozon Aktivkohle pulverförmige Aktivkohle granulierte Aktivkohle Quelle: Quelle: Firmenprospekt Norit Quelle: Firmenprospekt Norit

8 Vergleich Funktionsprinzip Oxidation Adsorption Ozon Aktivkohle Spurenstoffe werden durch Ozon zerstört, aber nicht mineralisiert Spurenstoffe werden an die Aktivkohle angelagert

9 DOC [mg/l] DOC DOC DOC [mg/l] [mg/l] SAK 254 [1/m] SAK 254 [1/m] Vergleich Funktionsprinzip Oxidation Ozon Adsorption Aktivkohle SAK 254 [mg/l] SAK 254 [mg/l] spez. Ozonzugabe [mg O 3 / mg DOC] 0 0 Nullprobe PAC-Dosiermenge [mg/l] Pulveraktivkohledosiermenge [mg/l] 0 0 Quelle: PILOTOX, Berlin, Darstellung modifiziert Quelle: KomS, Ergebnisse Rührversuch mit Aktivkohle Spurenstoffe werden durch Ozon zerstört, aber nicht mineralisiert Spurenstoffe werden an die Aktivkohle angelagert

10 Vergleich Reinigungsleistung >> Gegenüberstellung der Elimination >> von verschiedenen Substanzen mit Ozon / Pulveraktivkohle Quelle: Margot, J.; Kienle, C.; Magnet, A.; Weil, M.; Rossi, L.; Felippe de Alencastro, L.; Abegglen, C.; Thonney, D.; Chèvre, N.; Schärer, M.; Barry, D.A. (2013): Treatment of micropollutants in municipal wastewater: Ozone or powdered activated carbon?, Science of the Total Environment 2013, , S

11 Verfahrenstechniken Quelle: Ozon Ozonung Quelle: Firmenprospekt Norit Pulveraktivkohle Einrührverfahren Quelle: Firmenprospekt Norit Granulierte Aktivkohle Festbettfilter

12 Verfahrenstechniken Ozonung Anordnung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung

13 Verfahrenstechniken Ozonung Verfahrenstechnischer Aufbau: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung Komponenten: Reaktionsbecken mit Begasungszone und Abklingstrecke Ozonerzeuger Eintragsvorrichtung Abluftbehandlung MSR-Technik

14 Verfahrenstechniken Ozonung Aufgabe Nachbehandlung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung Biologischer Abbau von Umwandlungsprodukten

15 Verfahrenstechniken Ozonung Verfahrenstechnik Nachbehandlung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung biologisch wirksame Verfahren... Sandfilter Schönungsteich Wirbelbett Bildquelle: KomS Bildquelle: Kläranlage Havixbeck Bildquelle: Die Eignung weiterer Verfahren wird aktuell untersucht.

16 Verfahrenstechniken Ozonung Umsetzung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung Metzger et al. (2015): Status quo der Erweiterung von Kläranlagen um eine Stufe zur gezielten Spurenstoffelimination, wwt-modernisierungsreport 2015/16

17 Verfahrenstechniken Ozonung Umsetzung: KA Bad Sassendorf KA Duisburg-Vierlinden ARA Neugut

18 Verfahrenstechniken Ozonung Reinigungsleistung: Quelle: Korrelation der Elimination der 12 Leitsubstanzen über die ganze ARA mit dem UV-Wert in der Ozonung. Ergebnisse eines Stufenversuchs auf der ARA Neugut bei Trockenwetter: Die Leitsubstanzen wurden in der 24h-Mischprobe analysiert >> Erkenntnisse ARA Neugut << Mit BEAR lässt sich ein stabiler UV-Wert mit einer geringen Bandbreite von ± 2% einstellen

19 Verfahrenstechniken Quelle: Ozon Ozonung Quelle: Firmenprospekt Norit Pulveraktivkohle Einrührverfahren Quelle: Firmenprospekt Norit Granulierte Aktivkohle Festbettfilter

20 Grundsätze zur Anwendung von Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle einstufig simultane Anwendung biologische Stufe Pulveraktivkohle zweistufig nachgeschaltete Anwendung biologische Stufe nachgeschaltete Stufe

21 Grundsätze zur Anwendung von Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle Reinigungsstufe Reaktionsraum Trennapparat Entnahme Entnahme 3,5 Entnahme durch aufkonzentrierte Pulveraktivkohle Anreicherung der Pulveraktivkohle notwendig Wirkung frische Pulveraktivkohle 0 Zeit t = 1 h t = 24 h

22 Grundsätze zur Anwendung von Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle Bildquelle: KomS BW Pulveraktivkohle Bildquelle: Baggenstos, M. (WABAG): PAK-Direktdosierung <<in>> den Sandfilter, VSA-Tagung Emmetten 2016

23 Verfahrensmodifikationen Pulveraktivkohleanwendung + Metallsalze + Polymer Pulveraktivkohle Adsorptionsstufe Ulmer Verfahren Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle + Polymer Pulveraktivkohle Einsatz von Membranen (UF) z.b. Projekt Aquapure Abtrennung mittels Flotation z.b. Projekt PAK-Flotation

24 Verfahrensformen zur Pulveraktivkohleanwendung >> Dosierung von Pulveraktivkohle in eine separate Adsorptionsstufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter PAK

25 Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: KA Steinhäule, Neu-Ulm KA Böblingen-Sindelfingen

26 Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: ARA Herisau KA Dülmen Bildquelle: Bildquelle: Hanspeter Butz, Präsentation ARA Herisau KA Mannheim, adsorptiver Teilstrombetrieb

27 Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: KA Kressbronn-Langenargen KA Stockacher Aach KA Langwiese, Ravensburg

28 Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: KA Laichingen KA Lahr KA Mannheim, Stand 06/2016

29 Entnahme Eliminationsrate Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Reinigungsleistung: Adsorptionsstufe Filter Spurenstoffentnahme im System PN PAC PN mittlere Dosiermenge = 10 mg/l Pulveraktivkohle 100% max 80% 75%-Q. Median 25%-Q. 60% min 40% 20% KA_A, GK 4 ( , n=13) KA_B, GK 4 ( , n=18) KA_C, GK 5 ( , n=18) KA_D, GK 5 ( , n=29) 0% Carbamazepin Diclofenac Metoprolol Benzotriazol

30 Spurenstoffentfernung [%] Spurenstoffentfernung [%] Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Reinigungsleistung: Metoprolol 50 Carbamazepin 40 Diclofenac Diclofenac 30 Benzotriazol 20 Iopamidol SAK 254nm-Rückgang [%] SAK 254nm-Rückgang [%] vgl. Rößler, A.; Metzger, S.: Application of SAC254 measurement for the assessment of micropollutant removal in the adsorptive treatment stage of a municipal wastewater treatment plant. Water, practice and technology, Vol 11, Issue 2 (in preparation)

31 Verfahrensformen zur Pulveraktivkohleanwendung >> Dosierung von Pulveraktivkohle in eine separate Adsorptionsstufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter PAK >> Dosierung von Pulveraktivkohle vor einen Filter Biologische Stufe PAK Filter

32 Pulveraktivkohleanwendung Dosierung vor einen Filter Halbtechnische Untersuchungen - Ulm/Neu-Ulm - EAWAG - Kloten-Opfikon - Lausanne - Berlin - Stuttgart Versuchsfiltersäule HKW Mühlhausen

33 Quelle: Pulveraktivkohleanwendung Dosierung vor einen Filter Halbtechnische Untersuchungen Großtechnische Untersuchungen - Ulm/Neu-Ulm - EAWAG - Kloten-Opfikon - Lausanne KA Buchenhofen, Wuppertal - Berlin - Stuttgart - Kloten-Opfikon - Wuppertal - Sissach KA Kloten-Opfikon Quelle: ARA Ergolz, Sissach

34 Pulveraktivkohleanwendung Dosierung vor einen Filter Halbtechnische Untersuchungen - Ulm/Neu-Ulm - EAWAG - Kloten-Opfikon - Lausanne - Berlin - Stuttgart Belebung Großtechnische Untersuchungen - Kloten-Opfikon - Wuppertal - Sissach Realisierung in Kürze - ARA Schönau Nachklärung Filter

35 Verfahrensformen zur Pulveraktivkohleanwendung >> Dosierung von Pulveraktivkohle in eine separate Adsorptionsstufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter PAK >> Dosierung von Pulveraktivkohle vor einen Filter Biologische Stufe PAK Filter >> Simultandosierung Biologische Stufe PAK Filter

36 Bildquelle: JIB Jedele und Partner Bildquelle: Thomann, IB Holinger, Versuche auf der ARA Wetzikon, CH Bildquelle: KomS BW Pulveraktivkohleanwendung Simultandosierung Halbtechnische Untersuchungen - KA Steinhäule, Neu-Ulm - ARA Schönau Großtechnische Untersuchungen - ARA Wetzikon - KA Emmingen-Liptingen ARA Schönau ARA Wetzikon KA Kloten-Opfikon KA Emmingen-Liptingen

37 Verfahrenstechniken Quelle: Ozon Ozonung Quelle: Firmenprospekt Norit Pulveraktivkohle Einrührverfahren Quelle: Firmenprospekt Norit Granulierte Aktivkohle Festbettfilter

38 Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Anordnung: Biologische Stufe Filter (optional) Suspensarückhalt granulierter Aktivkohlefilter

39 Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Ausbildung: Biologische Stufe Filter (optional) Suspensarückhalt granulierter Aktivkohlefilter >> offene Filter Nutzung bestehender Filterkammern Zulauf Ablauf Spülabwasser Spülabwasser abwärts durchströmt Ablauf Zulauf aufwärts durchströmt Bildquelle: P. Wunderlin, eawag; Untersuchungen zum Einsatz von granulierter Aktivkohle auf der ARA Bülach [CH]

40 Bildquelle: IB Jedele und Partner Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Ausbildung: Biologische Stufe Filter (optional) Suspensarückhalt granulierter Aktivkohlefilter >> kontinuierlich arbeitender Aktivkohlefilter Luft Zulauf Ablauf Spülwasser GAK GAK granulierte Aktivkohle Bildquellen:

41 Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Reinigungsleistung - Betriebsweise: [m³ Abwasser / m³ GAK] Quelle: Fleiner, J., Joss, A.; Böhler, M.; McArdell, C.; Siegrist, H.: Einsatz von granulierter Aktivkohle (GAK / O 3 +GAK) zur Elimination von Mikroverunreinigungen. Vortrag beim VSA-Fortbildungskurs Mikroverunreinigungen vom in Emmetten. Veröffentlicht in den Tagungsunterlagen

42 Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Reinigungsleistung - Betriebsweise: [m³ Abwasser / m³ GAK] Quelle: Fleiner, J., Joss, A.; Böhler, M.; McArdell, C.; Siegrist, H.: Einsatz von granulierter Aktivkohle (GAK / O 3 +GAK) zur Elimination von Mikroverunreinigungen. Vortrag beim VSA-Fortbildungskurs Mikroverunreinigungen vom in Emmetten. Veröffentlicht in den Tagungsunterlagen

43 Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Aktueller Stand: Metzger et al. (2015): Status quo der Erweiterung von Kläranlagen um eine Stufe zur gezielten Spurenstoffelimination, wwt-modernisierungsreport 2015/16 KA Obere Lutter KA 2016 (63) Nr. 3 KA 2016 (63) Nr. 4 Auswertung von 34 Studien

44 Verfahrensentwicklung Verfahren zur Anwendung von Aktivkohle Neue Technologien Verfahrenskombinationen Bildquelle:

45 Verfahrensentwicklung >> Verfahren zur Anwendung von Aktivkohle Mikro-GAK Pilotversuch ARA Penthaz, Foto A. Joss

46 Verfahrensentwicklung neue Technologien Elektrochemische AOP mit Diamantelektrode Biologischer Abbau durch Eisen-/Mangan-oxidierende Bakterien Oxidation mit UV/H 2 O 2 Adsorption und EAOP Chemische Oxidation mit Ferrat

47 Verfahrensentwicklung Verfahrenskombinationen >> Ozon und Aktivkohle + Bildquelle: Schachtler, ARA Neugut Bildquelle: KomS BW

48 Verfahrensentwicklung Verfahrenskombinationen >> Ozon und Aktivkohle Ozon vor granulierter Aktivkohle - granulierte Aktivkohle als Nachbehandlung für die Ozonung? - Zusatzeffekte für die granulierte Aktivkohle? - Umfangreichere Spurenstoffentnahme? - Längere Standzeit der Aktivkohle? - Kosten-Nutzen-Aufwand? Ozon und Pulveraktivkohle Schussenaktivplus: KA Eriskirch (BW) ARA Bülach (CH) KA Fa. Boehringer, Biberach a.d. Riß (BW) KA Weißenburg (BY) KA Detmold (NRW) KA Wien Limitierte Ozondosierung aufgrund der Bildung von Sekundärprodukten (z. B. durch Bromid im Zulauf zur Ozonung) Versuchsstandorte Pilotversuch ARA ProRheno, Basel (CH)

49 Zusammenfassung Stand der Technik: mechanisch-biologische Reinigung mit Nährstoffelimination Verfahrenseruierung und -entwicklung: Betriebsmittel: Ozon und Aktivkohle Ausbau von Kläranlagen um eine Stufe zur Spurenstoffelimination Verfahrensmodifikationen und neue Technologie Fragestellung Betriebsalltag, Optimierung der Verfahren, Entwicklung von Bemessungsansätzen Spurenstoffelimination auf Kläranlagen Stand der Technik!?!

50 HERZLICHEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT