Technische Optionen der Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung zur Eliminierung von Spurenstoffen

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1 Kolloquium des Kompetenzzentrums Wasser Berlin Entfernung von anthropogenen Spurenstoffen aus dem urbanen Wasserkreislauf - Vorstellung und Diskussion von technischen Optionen Technische Optionen der Abwasserreinigung und Trinkwasseraufbereitung zur Eliminierung von Spurenstoffen Regina Gnirss, Uwe Dünnbier, Bernd Heinzmann, Elke Wittstock, BWB Martin Jekel, TU Berlin 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin

2 Gliederung Einleitung Maßnahmen an der Quelle Eliminationsprozesse in der Abwasserreinigung Eliminationsprozesse in der Trinkwasseraufbereitung Uferfiltration/ künstl. Grundwasseranreicherung Zusammenfassung und Ausblick 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 2

3 Einleitung Wasser ist keine übliche Handelsware, sondern ein ererbtes Gut, das geschützt, verteidigt und entsprechend behandelt werden muss! 1. Erwägungsgrund der EU-WRRL 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 3

4 Der Wasserkreislauf in Berlin Nutzung Haushalte, Gewerbe, Krankenhäuser Sammlung, Ableitung Verteilung Behandlung 4. Reinigungsstufe Flockungsfiltration Aktivkohlefiltration Membranfiltration Ozonbehandlung UV-Desinfektion Wasseraufbereitung Oberflächenwasser Grundwasser 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 4

5 Maßnahmen an der Quelle Industrie: Vermeidung sehr effektiv Landwirtschaft: Herbizide Herausforderung da ein direkter Weg ins Gewässer und Grundwasser 30 % aller Medikamente landen im Müll oder in der Kanalisation verbunden mit einer entsprechenden Kosten- und Umweltbelastung Krankenhäuser: nur 5 35 % der Medikamentenmengen, aber: 50% der RKM in Krankenhäusern erfasst (Machbarkeitsstudie in Berlin: dezentrale Sammlung des Urins mit mobilen Urinsammelbehältern) 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 5

6 Ziele in der Abwasserreinigung Zukünftig Anforderungen erfüllen: Phosphor < 0,1 mg/l Desinfektion organische Spurenstoffe?? 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 6

7 Prozesse in der Abwasserreinigung Vorklärung Kohlenstoffentfernung: ca. 96%; Biologische oder chemische Phosphorentfernung: ca. 96%; TP< 0,5 mg/l Stickstoffentfernung: ca. 80%; TN<18 mg/l Sedimentation Schlammbehandlung: Faulung oder Verbrennung 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 7

8 Prozesse zur Elimination von Spurenstoffen in der Abwasserreinigung Stripping (Moschusverbindungen) Sorption an Partikeln/ belebtem Schlamm Biolog. Abbau/ Transformation Fällung/Flockung Photooxidation 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 8

9 Betriebsparameter als Einflussfaktoren 1. Zulaufkonzentration 2. Schlammanfall (Schlammkonzentration) 3. hydraulische Belastung (Aufenthaltszeit) 4. Schlammalter (>10 Tage), Biodiversität, Temperatur (Schwimmschlamm?) 5. anoxischer und aerober Zustand 6. Fällmittel, Pulverkohle, Ozon 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 9

10 Entfernung von AAA in den KA Betriebsparameter als Einflussfaktoren Vergleich der Berliner Klärwerke: Faulung oder Verbrennung Chem. oder biolog. Phosphorentfernung 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 10

11 Betriebsparameter als Einflussfaktoren Betriebsparameter gleich (SRT=15 Tage, TS = 4 g/l) Einfluß des Fällmittel? 50 MÜN RUH SCH WAS 40 Estron im Ablauf (ng/l) Fällmittel in Simultanfällung (Fe II) (mg/l) MÜN: n = 20 RUH: n = 13 SCH: n = 10 WAS: n = Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 11

12 Zusammenfassung: Abwasserreinigung Sehr polare org. Substanzen : Carpamezepin ist im MBR- und im konv. Belebungsverfahren sehr stabil Einige Spurenstoffe sind besser zu entfernen mit dem MBR-verfahren (Phenazon) Prozessparameter die einen Einfluß haben könnten: Schlammalter (SRT) >>16 Tage? Größere belüftete Zone oder Pre-DN (PP1)? Temperatur in MBR - Sommer? Biologische Abbau wird verbessert und nicht Adsorption! 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 12

13 Oberflächenwasseraufbereitung Zweischichtfilter: Zulauf: Havelwasser und Klarwasser KA Schönerlinde Filtergeschwindigkeit: 10 m/h Filtermaterial: 1 m Anthrazit 0,8 m Sand Oberhavel Pumpwerk Oberhavel Tegeler See Fläche: 4 km² Durchschnittliche Tiefe: 6,6 m Maximale Tiefe: 15 m Volumen: 24,6 Mio. m³ theoretische Aufenthaltszeit: 3 bis 4 Monate bei 3 m³/s Überleitung zur OWA und Rückleitung von gereinigtem Wasser Tegeler F ließ OWA - Tegel Inbetriebnahme im August 1985 Wasserwerk Tegel Ableiter vom Klärwerk Blankenfelder Graben Nordgraben ehemalige Rieselfelder Außerbetriebnahme 1986 Klärwerk Schönerlinde Inbetriebnahme 1986 Verteilbauwerk Arkenberge Panke Buchholzer Graben Verteilbauwerk Blankenburg Panke 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 13

14 Flockungsfiltration Sedimentation Rohrflockung Fällmittel: > 20 mol Fe/TP Flockungshilfsmittel Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 14

15 Vergleich der Entfernung von Spurenstoffe durch Schnellfiltration Estron Schnellfiltration führt zu vollständigem Rückhalt Abhängig zur Fällmittelzugabe? BEE: n = 10 SPA: n = 11 TEG: n = 10 Filter1:n = 17 bei 6 m/h OWA DOC TOC AOX Phenazon AAA FAA MTBE AMDOPH Carbamazepin Mittelwert n=8 in % Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 15

16 Vergleich der Entfernung von Spurenstoffe durch Schnellfiltration mit Pulverkohle Carbamazepin und Phenazon wird effektiv entfernt Estradiol und Ethinylestradiol sehr gut an Aktivkohle sorbiert Sulfamethoxazol und Diclofenac wird zu 80 % entfernt RKM und AAA wird nur mit frischer Aktivkohle effektiv entfernt [µg/ L] Zulauf nur Filtration 10 mg/ L PAK 20 mg/ L PAK BEE: n = 10 SPA: n = 11 TEG: n = 10 Filter1:n = 17 bei 6 m/h Sulfamethoxazol Carbamazepin Phenazon AAA Diclofenac 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 16

17 Entfernung von Spurenstoffe im Klärwerk durch Ozon Alle Spurenstoffe außer AOJ - werden effektiv entfernt Ökotoxikologisch und gentoxikologisch mit Klärwerksablauf vergleichbar Quelle: Projekt Pilotox im Auftrag des KWB, Christian Bahr et al., TU Berlin BEE: n = 10 SPA: n = 11 TEG: n = 10 Filter1:n = 17 bei 6 m/h 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 17

18 Ozonung diskont. Versuche Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 18

19 Trinkwasseraufbereitung Filtration mit Enteisenung/Entmanganung Flockungsfiltration Grundwasseranreicherung und Uferfiltration Membrantechnik (Ultrafiltration) Brunnen Belüftung Filtration /Speicher/Verteilung Grundwasser Prozesswasser Trinkwasser Chlorung im Fall von Wasserqualitätsproblemen 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 19

20 Elimination von Spurenstoffen in der Trinkwasseraufbereitung Grundwasseranreicherung und Uferfiltration Filtration Sorption Abbau Fällung mixing Grundwasser 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 20

21 Trinkwasseraufbereitung in Berlin Filtration mit Enteisenung/Entmanganung Schnellfiltration Effektive Entfernung durch aktivierte Filter 6,0 Reinwasser unbel. Rohwasser 5,0 4,0 Phenazon [µg/l] 3,0 2,0 1,0 0, Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 21

22 Elimination von Spurenstoffen in der Trinkwasseraufbereitung Aktivkohleadsorption (GAC) Oxidationsprozesse mit Ozon, UV, Wasserstoffperoxid schlecht eliminierbar waren die Arzneistoffe Clofibrinsäure (z. B. ~ 40 % bei 2,5-3 mg/l O3, TERNES ET AL. 2002b) und Ibuprofen, sowie die Röntgenkontrastmittel Diatrizoat, Iopamidol und Iopromid. 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 22

23 Elimination von Spurenstoffen in der Trinkwasseraufbereitung Membranfiltration (Nanofiltration und Umkehrosmose) Sehr gutes Rückhaltevermögen bis zu 98 % Mery Sur Oise Pilotanlagen: Wintgens et al. (2002) Heberer & Feldmann (2004) 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 23

24 Alternative: Uferfiltration/künstl. Grundwasseranreicherung: Beispiel Berlin 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 24

25 Künstliche Grundwasseranreicherung in dem Wasserwerk Tegel Hydrologie/Hydrochemie: unterschiedliche Infiltrierbarkeit der Uferbereiche Verlangsamung der Sauerstoffzehrung durch niedrige Temperaturen Kolmationsschicht 60 % 30 % 10 % 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 25

26 Uferfiltration Transsekte See Wannsee Bild TUB aerob anaerob Uferfiltration mit den verschiedenen Redoxzonen verschiedene Abbaumechanismen 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 26

27 Uferfiltration DOC= 7,1 mg/l Diclofenac = 0,12 ug/l Phenazon = 0.3 ug/l AOI= 7,3 ug/l Carbamazepin = 0,48 ug/l, Sulfamethoxazol = 0,44 ug/l Quelle: Bernd Wiese, Gesche Grützmacher: Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 27

28 Kosten der weitergehenden Verfahren 1. Betriebskosten für weitestgehende Aufbereitungsverfahren 2. Ozonbehandlung 0,05 /m3, 3. Aktivkohle je nach Zugabemenge 0,06-0,13 /m3 4. Membranbelebungsverfahren 0,2 /m3 5. Nanofiltration 0,3 0,5 /m3 6. erhebliche Gesamtkosten (+ Konzentratentsorgung klären) 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 28

29 Zusammenfassung Effektive Entfernung von Spurenstoffen mit den vorgestellten Verfahren in der Trinkwasseraufbereitung möglich Multibarrierensystem sollte die Quelle und die Kläranlagen berücksichtigen Polare Arzneistoffe mit hoher Persistenz stellen die größte Herausforderungen dar Uferfiltration/künstliche Grundwasseranreicherung als Alternative für die technische Aufbereitung (z.b. Ozon, GAC, Membranfiltration, Chlor) 22. Berliner Wasserwerkstatt am in Berlin 29