Betriebserfahrungen zum Einsatz von Ozon zur Spurenstoffelimination und Desinfektion

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1 Baselarea.swiss «Keime, Antibiotikaresistenz und Desinfektion in Wassersystemen» , BASEL Betriebserfahrungen zum Einsatz von Ozon zur Spurenstoffelimination und Desinfektion Harald Stapel, Xylem Service GmbH, Herford

2 Struktur 1. Hintergrund Spurenstoffe Deutschland & Schweiz 2. Ozon zur Spurenstoffelimination 3. Ozonanlagenbeispiele und Betriebsergebnisse 4. Zusammenfassung & Ausblick 5. Fragen 2

3 Elimination von Spurenstoffen Substanzgruppen Arzneimittel: Substanzen, die nach der Einnahme von Körper unverändert ausgeschieden werden. Endokrin wirksame Schadstoffe (EDC s): Substanzen, die hormonell wirksam sind. Pflegeprodukte: Parfüme, Sonnenschutz, Reinigungsprodukte, usw. Pestizide: Eintrag in den Wasserkreislauf aus Haushalten und der Landwirtschaft Industriechemikalien: Emission spezifischer Stoffe aus industriellen Herstellungsverfahren. 3

4 Eintragspfade und Quellen? Industrielles Abwasser Kommunales Abwasser Krankenhausabwasser Kläranlage Kläranlagen Kläranlage Diffuse Eintragspfade Grundwasser & Oberflächenwasser Haupteintragspfade für Spurenstoffe und endokrin wirksame Schadstoffe in Oberflächengewässer = effiziente Behandlung mit Ozon Trinkwasser 4

5 Jährlicher Arzneimittelverbrauch DE Als Beispiel dienen hier die Mengen verschiedener Kandidatenstoffe: Diclofenac Analgetikum Carbamazepin Antiepileptikum Clarithromycin Antibiotikum Metoprolol Betablocker Hydrochlorothiazid Thiazid-Diuretikum Sulfamethoxazol Antibiotikum Ibuprofen Antirheumatikum 48 t/a 64 t/a 16 t/a 116 t/a 34 t/a 27 t/a 265 t/a Mehr als 50% der Wirksubstanzen werden unverändert ausgeschieden und im Abwasser wiedergefunden. Quelle: Gartiser, S. et al; Identifizierung und Bewertung ausgewählter Arzneimittel und ihrer Metaboliten (Abund Umbauprodukte) im Wasserkreislauf; UBA-FB FG II 3.6;

6 Gesetzliche Grundlagen Spurenstoffelimination Deutschland: - Mandat zur Wahrung eines guten Umweltqualitätsstandard (EQS), Orientierung an PNEC Werten (Predicted non effect concentrations) Umsetzung veranlasst durch RPs - Keine bundesweit verbindlichen Grenzwerte Schweiz: - Umsetzung der Massnahmen an Kläranlagen zur: a) Frachtreduzierung von Mikroschadstoffen (> PE) b) Schutz von Trinkwasserresourcen c) Umweltschutz - Ziel: > 80% Elimination von 10 Indikatorstoffen - Umlagefinanziert 6

8 Ozonsystem mit Reaktionsbecken Ozon Ozone Generator generator z.b. WEDECO SMO 600 SMOevo 610 manifold Gasverteilung Einsatzgas: z.b. LOX diffuser Diffusoren COD (Catalytic Restozonvernichter Ozone Destructor) Ablauf Zufluss Inlet Nachklärung Online Messung: SAK 254 Online Messung: Durchfluss DOC SAK 254 contact Kontaktbecken basin Ablauf Outlet Biologische Nachbehandlung optional sand filter 8

9 Entfernungswirksamkeiten Angaben in [%] Carbamazepin Antiepileptikum Diclofenac Analgetikum Metoprolol Betablocker Sulfamethoxazol Antibiotikum Benzotriazol Korrosionsschutz Regensdorf Nur Ozon Regensdorf Mit Filter Lausanne Mit Filter 100 ±0 100 ±0 88 ±8 96 ±3 64 ±7 100 ±0 100 ±0 93 ±4 98 ±1 79 ±7 97 ±2 95 ±1 95 ±1 97 ±2 86 ±3 Bad Sassendorf Duisburg- Vierlinden Injektor

10 Kostenvergleich Ozon, PAK, GAK 10

12 Xylem Großtechnische Ozoninstallationen Projekt Kunde / Projektpartner Ort Land Forschungsprojekt Strategie Micropoll Forschungsprojekt Strategie Micropoll IBN Jahr Durchfluss [m³/h] BAFU, EAWAG Regensdorf Schweiz BAFU; EAWAG; Uni Lausanne Lausanne Schweiz Bad Sassendorf Emschergenossenschaft Bad Sassendorf Deutschland Schwerte Ruhrverband Schwerte Deutschland Duisburg Vierlinden Wirtschaftsbetriebe Duisburg Duisburg- Vierlinden Deutschland Warburg Kommunalunternehmen der Stadt Warburg AÖR Warburg Deutschland Espelkamp Stadtwerke Espelkamp Espelkamp Deutschland Weissenburg Stadtwerke Weissenburg Weissenburg Deutschland St. Pourçain-sur-Sioule Ville de St. Pourçain / SEMERAP Geplant 2017 Geplant St. Pourçain Frankreich Simrisham Simrishamns Kommun Simrisham Schweden ARA Werdhölzli ERZ Zürich Zürich Schweiz ARA Eich ZV ARA Bassersdorf Bassersdorf Schweiz Geplant 2017 Geplant 2018 Geplant 2017 Krankenhaus Waldbröl Krankenhaus Waldbröl Waldbröl Deutschland Marienhospital Emschergenossenschaft Gelsenkirchen Deutschland

13 ARA Wueri / Regensdorf CH 1. Full scale demo Anlage zur Spurenstoffelemination weltweit Größe: EW Auslegungsvolumenstrom: 1 x 450 m³/h Kontaktbecken: umgebautes Flockungsbecken; 36m³ Aufenthaltszeit: 5-20 min Ozongenerator: WEDECO SMO 600, 5 kg/h Eintragssystem: Diffusoren Nachbehandlung: kontinuierlicher Sandfilter Ausführung: EAWAG, Hunziker, WEDECO Betrieb:

14 Betriebsergebnisse ARA Regensdorf Entfernung der Spurenstoffe dosisund stoffabhängig Eliminationsraten > 80% für die meisten Stoffe bei z = 0,7 g O 3 /g DOC O 3 -Dosagen von z = 0,7 g O 3 /g DOC erreichten 2 log E-Coli Entfernung und gute Badewasserqualität Enterokokken erfordern erhöhte Dosis bzw. die nachgeschaltete SF zur sicheren Unterschreitung 14 Quelle: Schlussbericht Regensdorf: Ozonung von gereinigtem Abwasser, 2009 [EAWAG, BMG, Hunziker Betatech, BAFU, AWEL Kanton Zürich]

15 Fazit Regensdorf Die Ozonung als weitergehendes Verfahren zur Entfernung von organischen Spurenstoffen auf kommunalen ARA ist betrieblich, technisch und auch finanziell realisierbar. Eine gute Elimination eines breiten Spektrums von umweltgefährdenden organischen Spurenstoffen aus dem Abwasser konnte im Grossversuch nachgewiesen werden. Bezogen auf den Ablauf der Vorklärung werden mit der Ozonung knapp 90% der Gesamtfracht an anthropogenen Spurenstoffen entfernt, gegenüber rund 50% mit einer herkömmlichen biologischen Reinigung. Mit den ökotoxikologischen Testsystemen konnte ebenfalls eine positive Wirkung der Ozonung festgestellt werden. So wurden beispielsweise die Effekte der hormonaktiven Stoffe (Östrogene) eliminiert. Aufgrund der im Pilotversuch durchgeführten chemischen und ökotoxikologischen Untersuchungen gibt es keine Hinweise auf die Bildung von relevanten Mengen an problematischen Reaktionsprodukten. Durch Massnahmen an ARA kann eine deutliche Reduktion der über das gereinigte Abwasser in die Gewässer eingetragenen Frachten an organischen Spurenstoffen erreicht werden. Die Ozonung führt zusätzlich zu einer Hygienisierung des Abwassers. 15 Quelle: Schlussbericht Regensdorf: Ozonung von gereinigtem Abwasser, 2009 [EAWAG, BMG, Hunziker Betatech, BAFU, AWEL Kanton Zürich]

16 KA Bad Sassendorf Erste full scale Anlage zur Spurenstoffelimination Deutschland Größe: EW Auslegungsvolumenstrom: 300 m³/h hydraulischer max. Durchfluss: 648 m³/h Kontaktbecken: 2x 33 m³ Beton, 5 m tief Aufenthaltszeit: 13 min Ozongenerator: WEDECO SMO 600, max. 5 kg/h Nachbehandlung: Schönungsteich Inbetriebnahme:

17 KA Duisburg-Vierlinden Größe: EW Auslegungsvolumenstrom: 2x 200 m³/h Kontaktbecken: 2x 100 m³ Beton, 5 m hoch Aufenthaltszeit: je 30 min Ozongenerator: 2x SMO 400, max. 4 kg/h Eintragssystem: Injektor Nachbehandlung: Wirbelbett Ausführung: Oswald Schulze, WEDECO Inbetriebnahme: 10/

18 Betriebsergebnisse Duisburg Vierlinden DOC o : 7-8,6 mg/l DOC o : 7-8,6 mg/l; O 3 -Dosis: 5 mg/l Entfernung der Spurenstoffe Dosis- und Stoffabhängig Eliminationsraten > 80% für die meisten Stoffe bei z = 0,7 g O 3 /g DOC Bei O 3 -Dosis (5mg/l) Keimreduktion 1 1,5 log 18 Quelle: Abschlussbericht Phase 2 Elimination von Arzneimittelrückständen in kommunalen Kläranlagen 01/ /2013 ARGESpurentsoffe NRW Teilprojekt 6

19 Übersicht Ergebnisse zur Desinfektion mit Ozon Projekt Pilotox [Bahr et al.] Projekt Regensdorf [Abegglen et al.] Projekt Lausanne [Margot et al.] Projekt Komozon [Schaar et al] Projekt Poseidon [Huber et al.] Niedriger TS Projekt Poseidon [Huber et al.] Hoher TS Ozondosis [go 3 /gdoc] E. Coli Intestinale Enterokokken Grenzwert Grenzwert (1.000 cfu/100ml) (400 cfu/100ml) 0,5 0,8 0,60 - Nach Filter - 1,08 Nach Filter 0,63 0,87 0,26-0,65-0,28-0,71-19

20 Steuerungsmöglichkeiten Ozondosierung Mengenproportionale Steuerung DOC-basierte Steuerung Steuerung auf SAK im Zulauf Regelung auf Reduktion des SAK-Zulaufwertes Vorgabewert Ozondosis Spezifische Ozondosis Spezifische Ozondosis Prozentualer Z spez,doc Z spez,sak Faktor SAK Steuerungs- oder Regelungskonzept Berechnung der Ozonmasse anhand des aktuellen Durchflusses Berechnung der Ozonmasse anhand des aktuellen Durchflusses und der DOC- Konzentration im Zulauf Berechnung der Ozonmasse anhand des aktuellen Durchflusses und des SAK-Wertes im Zulauf Parameter Durchfluss DOC SAK SAK Anpassung der Ozonproduktion anhand des prozentualen Abbaus des SAK- Wertes im Zulauf und Abgleich mit dem Ablaufwert - SAK im Zulauf Notwendige Messgeräte - Durchfluss - DOC-Messung - Durchfluss - SAK im Zulauf - Durchfluss -SAK im Ablauf - Durchfluss für k REG 20

21 Steuerungsmöglichkeiten zur Desinfektion Quelle: 21

22 Einfluss Ozonbehandlung auf bakt. Abwasserpopulation Kultivierungsexperimente Rohabwasser Rohabwasser E. coli und Coliforme Zulauf Ozonsystem E. coli und Coliforme Zulauf Ozonsystem Ablauf Ozonsystem Ablauf Ozonsystem Reduktion der Antibiotika-sensitiven, wie auch Antibiotika-resistenten E. coli und Coliforme nach konventioneller Klärung um ca. 99%. Eine zusätzliche Reduktion wurde nach der Ozonbehandlung festgestellt (Gesamt- Reduktion 6 Zehnerpotenzen) Gesamt E. coli und Coliforme Antibiotika-resistente E. coli und Coliforme Veränderung in der Zusammensetzung der Population von Antibiotikaresistenten E. coli und Coliforme nach Ozon Behandlung in der überlebenden Population. Die Anteile der Antibiotikaresistenten Bakterien steigt an (von 5% auf 25%) Gesamt E. coli und Coliforme Antibiotika-resistente E. coli und Coliforme 22 Quelle: BMBF-Projekt TransRisk Förderkennzeichen: 02WRS1275J

23 Ausblick Forschung Antibiotikaresistenz Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) Institut für Mikrosystemtechnik (IMT) Technische Universität Dresden Institut für Hydrobiologie RWTH Aachen Institut für Siedlungswasserwirtschaft Umweltbundesamt Bad Elster TZW Karlsruhe DVGW-Technologiezentrum Wasser, Umweltbiotechnologie und Altlasten Erftverband Bergheim Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband (OOWV) Zweckverband Klärwerk Steinhäule Xylem Services GmbH Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Institut für Ernährungs- und Lebensmittelwissenschaften (IEL) Institut für Tierwissenschaften (ITW), Präventives Gesundheitsmanagement Institut für Hygiene und Öffentliche Gesundheit/Public Health (IHPH) Institut für Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Parasitologie (IMMIP) 23 BMBF-Verbundprojekt HyReKA Förderkennzeichen: 02WRS1377, Förderzeitraum ;

25 Ozon zur Spurenstoffelimination & Desinfektion Zusammenfassung & Ausblick Abbau von Spurenstoffen gemäß Vorgaben (in Summe um >80 %) grosstechnisch bewährt. Niedrige Ozondosierung erforderlich (ca. 0,6-0,8 g Ozon / g DOC). Parallele Desinfektionswirkung um 1-3 Log-Stufen. Stabile Onlinekontrollmöglichkeiten zur Sicherstellung des Behandlungsziel und Minimierung des Ozoneinsatzes vorhanden. Einfache Realisierung in Bestands- und Neuprojekten Geringe Kostensteigerung pro m³ Abwasser: ca Cent/m³ oder 1-2 Big Mac pro Einwohner/Jahr Ozon reduziert auch Antibiotikaresistente Keime. Weiterer Untersuchungsbedarf besteht zu Dosis & Wirkung (AK) 25

26 Fragen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 26