4. Reinigungsstufe auf Kläranlagen in Baden-Württemberg: Spurenstoffanalytik und Erfahrungen zur Reinigungsleistung

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1 4. Reinigungsstufe auf Kläranlagen in Baden-Württemberg: Spurenstoffanalytik und Erfahrungen zur Reinigungsleistung 12. März 2015 Dr. Steffen Metzger Übersicht 4. Reinigungsstufe in Baden-Württemberg Übersicht Verfahrenstechniken Stand Umsetzung in Baden-Württemberg Funktionsweise Adsorptionsstufe Eindrücke aktueller Anlagen Erfahrungen zur Reinigungsleistung Spurenstoffe KomS-Handlungsempfehlungen zur Vergleichskontrolle und zur Betriebsüberwachung der 4. Reinigungsstufe 1

2 Quelle: mg189/1628/ jpg Einrichtung KomS Ausgangslage Situation Baden-Württemberg: >> basierend auf Erkenntnissen des Versuchsbetriebs im Klärwerk Steinhäule, Ulm / Neu-Ulm Ausbau von Kläranlagen in BW um eine 4. Reinigungsstufe Bundesland mit den anzahlmäßig meisten Kläranlagen mit einer Reinigungsstufe zur gezielten Spurenstoffentfernung Bundesland mit den landesweit meisten an die neue Technologie angeschlossenen Einwohnerwerten Einrichtung KomS Ausgangslage Situation Baden-Württemberg: verbesserte Reinigungsleistung, jedoch >> fehlender Erfahrungsschatz bei den Beteiligten der Abwasserreinigung >> keine verbindlichen Bemessungsstandards vorhanden >> keine Grenz- / Überwachungswerte vorhanden >> Kläranlagenbetreiber betreten Neuland 2

3 Einrichtung KomS Schaffung einer zentralen Anlaufstelle Kläranlagenpersonal Hochschulen, Universitäten Produzenten und Lieferanten von Hilfsstoffen zur Abwasserreinigung Firmen Kommunen, Zweckverbände, Städte & Gemeinden Anlaufstelle Ingenieurbüros Behörden Ausrüster, Anlagenbauer Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW beteiligte Partner Universität Stuttgart gefördert durch: 3

4 Restkonzentration [%] [%] [%] Restkonzentration [%] Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW Tätigkeitsfelder >> Betrieblicher Support Aktivkohlebehandlung im Klärwerk Beispieldorf Besprechung am 25. Mai 2012 Reinigungsleistung Ads.-stufe Einfluss: CSB Wochentag??? Spurenstoffmessungen Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW Tätigkeitsfelder >> Aufbereiten & Dokumentieren 100 Diclofenac 100 Carbamazepin mg/l 20 mg/l 10 mg/l 20 mg/l PAC-Dosiermenge PAC-Dosiermenge PAC-Dosiermenge PAC-Dosiermenge bzw. bzw. bzw. nach biologischer Behandlung nach biologischer Behandlung in Kombination mit rückgeführter PAC aus Ads.-stufe nach Adsorptionsstufe 4

5 Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW Tätigkeitsfelder >> Prüfen & Untersuchen Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW Tätigkeitsfelder >> Beratung Bildquelle: 5

6 Kompetenzzentrum Spurenstoffe BW Tätigkeitsfelder >> Qualifizierung & Erfahrungsaustausch VSA- Plattform Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen 4. Reinigungsstufe in Baden-Württemberg 6

7 Verfahren zur Spurenstoffelimination Ozonung Einsatz von Aktivkohle granulierte Aktivkohle pulverförmige Aktivkohle Quelle: Quelle: Firmenprospekt Norit Quelle: Firmenprospekt Norit Kläranlagen mit einer Reinigungsstufe zur gezielten Spurenstoffelimination in Baden-Württemberg Zustand in Planung Mannheim ( EW) Büsnau (9.680 EW) Q max. ads. = 20 L/s in Bau in Betrieb aktuell: Q max. ads. = 300 L/s (Teilstrombehandlung) Stuttgart-Mühlhausen ( EW) Verfahrenswahl zukünftig: Q max. ads. = L/s behandelte JAM > 85 % Karlsruhe ( EW) Öhringen ( EW) Wendlingen ( EW) Pulveraktivkohle granulierte Aktivkohle Ozon Verfahren offen Sindelfingen ( EW) Q max. ads. = L/s behandelte JAM > 85 % Westerheim (5.500 EW) Laichingen ( EW) Q max. ads. = 150 L/s behandelte JAM > 95 % Hinweis: JAM = Jahresabwassermenge Hechingen ( EW) Q max. ads. = 400 L/s behandelte JAM = 100 % bereits seit ca. 20 Jahren in Betrieb Ulm ( EW) 1. BA: Q max. ads. = L/s 2. BA: Q max. ads. = L/s behandelte JAM = 100 % Lahr ( EW) Q max. ads. = 350 L/s behandelte JAM > 90 % Albstadt ( EW) Q max. ads. = 980 L/s behandelte JAM = 100 % Lautlingen ( EW) Q max. ads. = 225 L/s behandelte JAM = 100 % Freiburg ( EW) Ravensburg ( EW) Q max. ads. = L/s behandelte JAM = 100 % Emmingen-Liptingen (7.500 EW) Kressbronn ( EW) Q max. ads. = 20 L/s Stockacher Aach ( EW) Q max. ads. = 250 L/s behandelte JAM = 100 % Q max. ads. = 250 L/s behandelte JAM > 85 % Stand 02 /

8 Verfahrensprinzip der Pulveraktivkohleanwendung Fällmittel Biologische Reinigungsstufe Filtration Verfahrensprinzip der Pulveraktivkohleanwendung Fällmittel Flockungshilfsmittel Flockungshilfsmittel Biologische Reinigungsstufe Adsorptions- stufe Filtration 8

9 Verfahrensprinzip der Pulveraktivkohleanwendung Pulveraktivkohle Fällmittel Flockungshilfsmittel Biologische Reinigungsstufe Filtration Rücklaufkohle Überschusskohle Überschussschlamm Schlamm aus der Adsorptionsstufe beim Absetzen KA Steinhäule, Ulm/Neu-Ulm 9

10 KA Steinhäule, Ulm/Neu-Ulm KA Steinhäule, Ulm/Neu-Ulm 10

11 KA Laichingen KA Lahr 11

12 KA Stockacher Aach KA Langwiese, Ravensburg 12

13 KA Kressbronn-Langenargen KA Böblingen-Sindelfingen 13

14 KA Mannheim Bildquelle: drad70m:&imgrefurl= =0&ndsp=20&ved=1t:429,r:0,s:0,i:71 Klärwerk Mannheim Bestand Biologie Filtration Q m = L/s 14

15 Klärwerk Mannheim Auslegung Adsorptionsstufe Biologie Ads.-stufe Filtration Q m = L/s Q Teilstrom = L/s ca. 90 % der jährlichen Wassermenge in der Adsorptionsstufe behandelbar Klärwerk Mannheim Adsorptionsstufe aktuelle Umsetzung Biologie Biologie Ads.-stufe Filtration Filtration Biologie Filtration 15

16 Q max = 500 L/s Klärwerk Mannheim Adsorptionsstufe aktuelle Umsetzung Biologie Biologie Biologie Ads.-stufe Ads.-stufe Filtration Filtration Filtration Klärwerk Mannheim Adsorptionsstufe aktuelle Umsetzung Q max = L/s Q max = L/s Biologie Filtration Ads.-stufe Biologie Filtration Q max = 800 L/s Q max = 300 L/s 16

17 Klärwerk Mannheim Adsorptionsstufe aktuelle Umsetzung Pulveraktivkohle Überschusskohle Spülabwasser Überschussschlamm Klärwerk Mannheim Adsorptionsstufe aktuelle Umsetzung Straße B Straße A 17

18 Pestizide und Pestizidmetabolite Synthetische Komplexbildner Süßstoffe hormonell wirksame Stoffe Industriechemikalien Arzneimittelrückstände Röntgenkontrastmittel Anzahl Klärwerk Mannheim Bilanzierung - Probenahmestellen Straße B Biologie NKB_b Filtration F_b Straße A NKB_a SB_a F_a Biologie Ads.-stufe Filtration >> 24-h-Mischproben Reinigungsleistung - Spurenstoffe Untersuchungen Mannheim >> Vorkommen von Spurenstoffen nach biol. Behandlung* gemessene Substanzen nachgewiesene Substanzen * Substanzen in der gelösten Abwasserphase >> betrachtete Probenahmestelle: NKB_b 18

19 AMPA Bentazon EDTA PFOA PFOS Benzotriazol TCPP HHCB Acesulfam Bisphenol A Sulfamethoxazol Diclofenac Dehydrato-Erythromycin A Bezafibrat Carbamazepin Metoprolol Amidotrizoesäure Iopamidol Iopromid Entnahme [%] Pestizide und Pestizidmetabolite Synthetische Komplexbildner Süßstoffe hormonell wirksame Stoffe Industriechemikalien Arzneimittelrückstände Röntgenkontrastmittel Anzahl Reinigungsleistung - Spurenstoffe Untersuchungen Mannheim >> Konzentration der Spurenstoffe im Ablauf der biologischen Reinigung * µg/l c < 0,1 µg/l 0,1 µg/l c < 1,0 µg/l 1,0 µg/l c < 10 µg/l c 10 µg/l * 50%-Quantil-Konzentration in der gelösten Phase (membranfiltrierte Proben); n = 10 >> betrachtete Probenahmestelle: NKB_b Reinigungsleistung - Spurenstoffe Untersuchungen Mannheim >> Entnahme im System Adsorptionsstufe und anschließender Filtration Pestizide und deren Metabolite Industriechemikalien hormonell wirksame Stoffe Arzneimittelrückstände Röntgenkontrastmittel 100 Komplexbildner Süßstoffe PAK PAC = 10 mg/l (n = 4; 4; Darstellung = = Medianwert) PAK PAC = 20 mg/l (n = 2; 2; Darstellung = = Mittelwert) PAK PAC = 30 mg/l (n = 1; 1; Darstellung = = Einzelwert) >> Bilanzierung: NKB_a F_a 19

20 Kraftstoffadditive 1 Pestizide und Pestizidmetabolite 3 Synthetische Komplexbildner 3 PFT 9 Naphtaline 8 Nitrosamine 2 Süßstoffe 3 Röntgenkontrastmittel 5 Arzneimittelrückstände 27 Organophosphate 3 künstliche Moschusduftstoffe 2 Benzotriazole 3 hormonell wirksame Stoffe 1 Entnahmesituation Entnahmesituation Entnahmesituation zusätzliche Entnahme in der Biologie [%] Reinigungsleistung - Spurenstoffe Untersuchungen Mannheim >> zusätzliche Entnahme in der Biologie B NKB_b F_b 100 PAK PAC = 10 mg/l A NKB_a F_a 80 PAK PAC = 20 mg/l Entnahme in in der Adsorptionsstufe bei bei PAC PAK = mg/l mg/l [%] [%] Reinigungsleistung - Spurenstoffe Untersuchungen Mannheim >> Eliminationsleistung 100% Verbesserung gegenüber biologisch gereinigtem Abwasser (= Ablauf NKB_b) 80% 100% 100% 100% 60% 80% 80% 80% 40% 60% 60% 60% 20% 40% 40% 40% 0% 20% 20% 20% 0% 0% 0% 10 mg/l 20 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l PAC-Dosiermenge η > η 80 > 80 % % % % < η < η % % % % < η < η % % η η % % η > 80 % 60 % < η 80 % 30 % < η 60 % η 30 % >> Bilanzierung: NKB_b F_a 20

21 Entnahme an Diclofenac [%] Entnahme [%] Entnahme [%] [%] Übertragbarkeit der Ergebnisse Reinigungsleistung verschiedener Ads.-stufen >> Entnahmeleistung in der Adsorptionsstufe verschiedener Kläranlagen Kläranlage Mannheim Kläranlage A A Kläranlage B B Kläranlage C C Kläranlage D D Kläranlage Kläranlage Kläranlage Kläranlage n = n 7= 7 n = n 9= 9 n = n 9= 9 n = n 9= 9 Metoprolol Metoprolol Carbamazepin Carbamazepin Diclofenac Diclofenac Benzotriazol Benzotriazol Iomeprol Iomeprol Amidotrizoesäure Amidotrizoesäure PAC-Dosiermenge = 10 mg/l Übertragbarkeit der Ergebnisse Reinigungsleistung verschiedener Ads.-stufen KA Mannheim KA Böblingen-Sindelfingen KA Stockacher Aach KA Kressbronn-Langenargen Tag Nr. PAC-Dosiermenge = jeweils 10 mg/l Datenquelle: Rößler, A., Metzger, S.: Bestimmung der Spurenstoffelimination in Kläranlagen mit Aktivkohleeinsatz; UM-Vorhabennr. 351/

22 Entnahme an Diclofenac [µg/l] Entnahme an an Diclofenac [µg/l] [µg/l] Übertragbarkeit der Ergebnisse Reinigungsleistung verschiedener Ads.-stufen 3,0 3,0 3,0 KA Mannheim KA Mannheim 2,5 KA Böblingen-Sindelfingen 2,5 KA KA Böblingen-Sindelfingen Mannheim KA Lahr 2,5 KA KA Lahr Böblingen-Sindelfingen (halbtechnisch) (halbtechnisch) KA Stockacher KA KA Stockacher Lahr (halbtechnisch) Aach 2,0 Aach 2,0 KA Kressbronn-Langenargen 2,0 KA KA Kressbronn-Langenargen Stockacher Aach KA Kressbronn-Langenargen 1,5 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Diclofenac im Zulauf der Adsorptionsstufe [µg/l] Diclofenac im Zulauf der Adsorptionsstufe [µg/l] Diclofenac im Zulauf der Adsorptionsstufe PAC-Dosiermenge = [µg/l] jeweils 10 mg/l Spurenstoffanalytik: KomS - Handlungsempfehlungen 22

23 KomS-Handlungsempfehlungen >> Problemstellung Verfahrenstechniken der 4. Reinigungsstufe ( gezielte Spurenstoffelimination): Ozonung Einsatz von Aktivkohle granulierte Aktivkohle pulverförmige Aktivkohle Quelle: Quelle: Firmenprospekt Norit Quelle: Firmenprospekt Norit >> in der kommunalen Abwasserbehandlung: neue Techniken Ausbau bislang freiwillig bislang keine Vorgaben zur Reinigungsleistung >> wenige großtechnische Erfahrungen: zur Betriebsstabilität zur Leistungsfähigkeit zur Betriebsüberwachung KomS-Handlungsempfehlungen >> Zielsetzungen Bewertung der Spurenstoffelimination der Kläranlage Feststellung der Spurenstoffemission vor & nach dem Ausbau Betriebskontrolle der 4. Reinigungsstufe Vereinheitlichung der Vorgehensweise Erkenntnisgewinn auf breiter Basis 23

24 KomS-Handlungsempfehlungen >> Handlungsempfehlungen Bewertung I. Vergleichskontrolle der Spurenstoffelimination der Kläranlage Feststellung der Spurenstoffemission vor & nach dem Ausbau Betriebskontrolle der 4. Reinigungsstufe II. Eigenkontrolle III. Überprüfung der Spurenstoffelimination KomS-Handlungsempfehlungen >> Spurenstoffanalytik Bewertung I. Vergleichskontrolle der Spurenstoffelimination der Kläranlage Spurenstoffliste A Feststellung der Spurenstoffemission vor & nach dem Ausbau Betriebskontrolle der 4. Reinigungsstufe II. Eigenkontrolle III. Überprüfung der Spurenstoffelimination Spurenstoffliste B 24

25 Stand: 10/2014 Stand: 10/2014 PAC KomS-Handlungsempfehlungen >> Spurenstoffanalytik Spurenstoffliste A: anzuwenden bei der Empfehlung Vergleichskontrolle Durchführung: Mechanische Stufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter Zulauf Kläranlage Ablauf Nachklärung Ablauf Kläranlage Probenahmeart durchfluss-/volumenproportionale 72-h Mischproben Probenaufbereitung Proben filtrieren (Membranfilter) Häufigkeit je Zustandserfassung (Planungsphase; 2x Testphase) mindestens zwei Messkampagnen *BG: bei Ablaufproben einzuhalten KomS-Handlungsempfehlungen >> Spurenstoffanalytik Spurenstoffliste A: Hinweise zur Stoffauswahl: Berücksichtigung von Einzelsubstanzen aus unterschiedlichen Herkunfts- und Anwendungsbereichen Berücksichtigung von internationalen und nationalen Erkenntnissen zur Gewässerbelastung (bspw. EU, IKSR, Schweiz, OGewV) Berücksichtigung von Indikatorsubstanzen anderer Bundesländer und Länder Berücksichtigung regionaler / lokaler Besonderheiten, ggf. Trinkwasserrelevanz Überschaubare Analysekosten sowie vertretbarer Aufwand für die Probenahme / Probenaufbereitung Bei Bedarf kann die Liste um lokal bedingte Substanzen erweitert werden Anpassung der Stoffauswahl entsprechend aktueller Entwicklungen *BG: bei Ablaufproben einzuhalten 25

26 Stand: 10/2014 Stand: 10/2014 PAC KomS-Handlungsempfehlungen >> Spurenstoffanalytik Spurenstoffliste B: verfahrensabhängig Stoffauswahl für Aktivkohleverfahren: anzuwenden bei der Empfehlung Überprüfung der Spurenstoffelimination Durchführung: Mechanische Stufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter *BG: bei Ablaufproben einzuhalten Zulauf Kläranlage Ablauf Nachklärung Probenahmeart durchfluss-/volumenproportionale 24-h Mischproben Zulaufprobe zeitversetzt ziehen Probenaufbereitung Proben filtrieren (Membranfilter) Ablauf Kläranlage Häufigkeit 1x pro Verbrauch einer Kohlelieferung bzw. mindestens alle 2 Monate KomS-Handlungsempfehlungen >> Spurenstoffanalytik Spurenstoffliste B: verfahrensabhängig Stoffauswahl für Aktivkohleverfahren: Hinweise zur Stoffauswahl: dauerhaftes Vorliegen im heutigen Kläranlagenablauf unterschiedliches Eliminationsverhalten in der 4. Reinigungsstufe Kenntnis über das Abbauverhalten in herkömmlichen Kläranlagen muss bekannt sein *BG: bei Ablaufproben einzuhalten Berücksichtigung von Indikatorsubstanzen anderer Studien vertretbarer Aufwand für die Probenahme / Probenaufbereitung Geringe Analysekosten ( wenige Substanzen) 26

27 Kläranlage Albstadt-Ebingen PAC-Dosierung: mg/l Kläranlage Stockacher Aach PAC-Dosierung: 5-9 mg/l Kläranlage Kressbronn-Langenargen PAC-Dosierung: mg/l KomS-Handlungsempfehlungen >> erste Erfahrungen Spurenstoffliste B Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5 Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 9 Tag 10 Tag 1 Tag 2 Tag 3 Tag 4 Tag 5 Tag 6 Tag 7 Tag 8 Tag 9 Tag 10 CSBgelöst Abl. NKB: 16 mg/l CSBgelöst Abl. NKB: 24 mg/l Legende CSBgelöst Abl. NKB: 14 mg/l Kläranlage Mannheim PAC-Dosierung: 10 mg/l Kläranlage Böblingen-Sindelfingen PAC-Dosierung: 10 mg/l Amidotrizoesäure Sulfamethoxazol Iopamidol Iomeprol Iohexol Iopromid Benzotriazol Diclofenac Carbamazepin Metoprolol CSBgelöst Abl. NKB: 22 mg/l CSBgelöst Abl. NKB: 12 mg/l Prozentuale Verringerung durch Adsorptionsstufe und Filter = (NKB - F) / NKB x 100 Berechnung der Entnahme aufgrund fehlender Werte bzw. Bypassführung nicht möglich η 30 % 30 % < η 60 % 60 % < η 80 % η > 80 % Berechnung der Entnahme nicht möglich, da bereits im Ablauf NKB die BG unterschritten ist Prozentuale Entnahme zwar < 80 %, aber im Ablauf Filter ist die BG unterschritten Quelle: Rößler, A., Metzger, S.: Bestimmung der Spurenstoffelimination in Kläranlagen mit Aktivkohleeinsatz; UM-Vorhabennr. 351/2013 weitere Informationen 27

28 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 28