KONZEPT KLÄRANLAGE NEUGUT, DÜBENDORF

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1 ELIMINATION VON MIKROSCHADSTOFFEN, KEIMEN UND BAKTERIEN IN KOMMUNALEN KLÄRANLAGEN - KONZEPT KLÄRANLAGE NEUGUT, DÜBENDORF Anita Wittmer*, Michael Thomann**, Michel Blunschi***, Christian Abegglen*****, Max Schachtler****, Hansruedi Siegrist * *Eawag (8600 Dübendorf), **Holinger AG (4410 Liestal), ***Ingenieurbüro Gujer AG (8153 Rümlang), ****ARA Neugut (8600 Dübendorf), ***** VSA Einleitung Der Eintrag von organischen Spurenstoffen (Medikamente, Hormone, Biozide etc., die in tiefen Konzentrationen in den Gewässern vorkommen) aus Abwasserreinigungsanlagen (ARA) in die Gewässer ist eine der grossen aktuellen Herausforderungen an den Gewässerschutz. Die Belastung der Gewässer durch organische Spurenstoffe aus dem kommunalen Abwasser und die damit verbundenen nachteiligen Einwirkungen auf die Wasserlebewesen und allenfalls auch auf den Menschen wurden im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte und -programme untersucht (z.b. Trachsel (2008), Mertens (2007)). In der Schweiz wurden im Projekt Strategie Micropoll des Bundesamts für Umwelt (BAFU) die Grundlagen für eine systematische Beurteilung der Belastungslage und der Notwendigkeit von Massnahmen erarbeitet. Im Projekt wurde eine Situationsanalyse der Belastung und Beurteilungskriterien für verschiedene Stoffe hergeleitet, sowie mögliche Massnahmen evaluiert und insbesondere grosstechnische Versuche mit Verfahren zur weitergehenden Elimination auf kommunalen ARA durchgeführt. Die Erkenntnisse aus den Pilotversuchen lassen sich folgendermassen zusammenfassen: Ein breites Spektrum von organischen Spurenstoffen konnte sowohl mittels Pulveraktivkohle- als auch Ozonzugabe erfolgreich eliminiert werden (durchschnittliche Elimination über 80%). Es wurden keine Hinweise auf eine kontinuierliche Bildung stabiler toxischer Nebenprodukte durch die Ozonung gefunden. Bei der Ozonung wird empfohlen, eine geeignete zusätzliche Stufe als Barriere nachzuschalten (z.b. Sandfiltration). Die Qualität des gereinigten Abwassers wurde durch die weitergehenden Verfahren signifikant verbessert (wobei die Ozonung zusätzlich zu einer Reduktion der Keime beiträgt), was zu einer Verbesserung der Qualität der Oberflächengewässer führte. Aufgrund der Erkenntnisse sollen in der Schweiz nun ausgewählte ARA mit einer weitergehenden Reinigungsstufe ausgerüstet werden. Betroffen sind etwa 100 der über 700 ARA der Schweiz, die zusammen aber etwa 50% des Abwassers behandeln. Die ARA werden aufgrund der drei Kriterien angeschlossene Einwohner, Abwasseranteil im Vorfluter, und Anlagen an Seen ausgewählt. Die zusätzlichen Investitionskosten sollen zu 75% über eine neu eingeführte Abwasserabgabe finanziert werden. Eine entsprechender Vorschlag zur Änderung des Gewässerschutzgesetzes befindet sich seit 25. April 2012 bis ca. Ende August in der Vernehmlassung (Juni 2012) Seite 1

2 ARA Neugut, Dübendorf Die ARA Neugut in Dübendorf behandelt das Abwasser von rund 105'000 Einwohnergleichwerte, wobei 50% (Kohlenstoff) aus der Industrie (v.a. Lebensmittel, Chemie) stammen. Die heutige Verfahrensführung (siehe auch Abb. 1) ist wie folgt: Mechanische Reinigung: Rechen, Sand- / Fettfang, Vorklärbecken Biologische und chemische Reinigung: Denitrifikation, Nitrifikation; aufgrund der hohen Belastung mit leicht abbaubarem Substrat kann die Anlage mit biologischer P-Elimination betrieben werden. Filtration: Um die Feststoffbelastung des Vorfluters möglichst gering zu halten, wird das gereinigte Abwasser über einen Sandfilter geleitet. Abb. 1: Fliessschema der ARA Neugut in Dübendorf (Bestehende Anlage ohne Schlammstrasse) In Tab. 1 sind die Dimensionierungsgrundlagen sowie die mittleren Ablaufwerte der ARA Neugut aufgeführt. Die Ablaufwerte erfüllen die Anforderungswerte. Das gereinigte Abwasser wird in die Glatt eingeleitet. Die Glatt fliesst durch dicht besiedeltes Gebiet und weist einen entsprechend hohem Abwasseranteil auf. Weiter flussabwärts wird das Uferinfiltrat als Trinkwasserquelle genutzt. Tab. 1: Dimensionierungsgrundlagen und mittlere Ablaufwerte der ARA Neugut Dimensionierungsgrundlagen (Ausbauziele 2010) Einwohnergleichwerte Trockenwetteranfall 20'500 m 3 /d Regenwetteranfall 44'000 m 3 /d Mittlere Ablaufwerte bei der Einleitung in die Glatt Biochemischer Sauerstoffbedarf 2.1 mg O 2 /l Gelöster organischer Kohlenstoff 4.5 mg DOC/l Ammoniak/Ammoniumstickstoff 0.08 mg NH 4 -N/l Gesamt Phosphor 0.3 mg P tot /l Nitrit 0.04 mg NO 2 -N/l Seite 2

3 Ozonung: Hintergrund, Zielsetzung und Zeitplan Die ARA Neugut müsste - sofern die aktuell vorgeschlagenen Gesetzesänderungen in Kraft treten - aufgrund ihrer Grösse und des hohen Abwasseranteils in der Glatt eine zusätzliche Verfahrensstufe zur Elimination von Mikroverunreinigungen einbauen. Aufgrund verschiedener positiver Umstände (interessierte politische Behörde, Unterstützung durch den Kanton, Nähe zur Forschungsanstalt Eawag, bestehende Infrastruktur) hat sich die Stadt Dübendorf bereit erklärt, auch ohne gesetzliche Grundlage voranzugehen und eine Ozonung einzurichten. Diese Ozonungsanlage wird die erste dauerhafte Installation in einer kommunalen ARA der Schweiz sein. Im Projekt Strategie Micropoll wurde die Ozonung auf zwei kommunalen ARA (Regensdorf, Lausanne) bereits gut untersucht. Trotzdem sind noch einige Fragen offen. Von besonderem Interesse sind unter anderem folgende Fragen: Die Produktion von Ozon benötigt relativ viel Energie. Je höher die Ozondosis, desto besser aber auch die Elimination von Spurenstoffen. In Regensdorf und Lausanne wurden verschiedene Varianten zur Ozondosierung untersucht: Dosierung anhand des Durchflusses, der DOC-Fracht oder der gelösten Ozonkonzentration gegen Ende des Reaktors. Mit welcher Regelgrösse kann das Ozon möglichst effizient dosiert werden? In der Schweiz wird als Zielgrösse eine Elimination von Spurenstoffen - gemessen anhand von fünf Indikatorsubstanzen - von 80% (über die gesamte ARA) angestrebt. Wie kann diese Grösse im Betrieb (d.h. ohne aufwändige chemische Analytik) gewährleistet werden. Aufgrund der Erkenntnisse aus den Pilotversuchen und ähnlichen Untersuchungen aus dem Ausland wird empfohlen, der Ozonung eine Stufe mit biologischer Aktivität nachzuschalten, um labile Reaktionsprodukte biologisch abzubauen. Welche Art von biologischer Nachbehandlung eignet sich und wie muss sie dimensioniert werden? Unter welchen Betriebsbedingungen werden welche problematischen Reaktionsprodukte gebildet und wie kann diese Bildung im Betrieb minimiert werden? Das Ökosystem Glatt wird neben dem gereinigten kommunalen Abwasser von verschiedenen anderen Faktoren beeinflusst. Können in der Glatt trotzdem Effekte durch die Ozonung nachgewiesen werden? Die Ozonungsanlagen in Regensdorf, Lausanne und Dübendorf wurden alle leicht unterschiedlich ausgestaltet. Welche Erkenntnisse lassen sich aus dem Vergleich dieser Anlagen für die Dimensionierung und den Betrieb gewinnen, resp. welche Faktoren beeinflussen die Dimensionierung oder den Betrieb (Aufenthaltszeit, Abwasserzusammensetzung, Dosierung, etc.) Wie ist die Zuverlässigkeit der Maschinen- und Messtechnik im Langzeitbetrieb. Welche Maschinen müssen in Zukunft redundant geplant/realisiert werden. Die Ozonungsanlage in Dübendorf wird eng von Forschern der Eawag und Praktikern aus Behörden und Ingenieurbüros begleitet. Die Erkenntnisse daraus sollen in zukünftige Projekte einfliessen. Zeitplan: Herbst 2012: Herbst 2013: Herbst 2013: Baubeginn In Betriebnahme Ozonung Untersuchungen Absorbanzabnahme und Spurenstoff-elimination Winter/Frühling 2013/14: In Betriebnahme Nachbehandlungen 2013 / 2014: Untersuchungen Glatt (Ökotoxikologische Tests) Seite 3

4 Ozonungsreaktor - Hydraulik Der Ozonungsreaktor wird zwischen der bestehenden Nachklärung und Filtration eingebaut. Die zwei bestehenden Sandfilter stehen in einer Halle, wobei der Ozonungsreaktor auf der Reservefläche für einen dritten Filter erstellt wird (Abb. 2). Der Reaktor kann ohne zusätzliche Hebewerke ins hydraulische Profil der ARA eingepasst werden. Abb. 2: Fliessschema Ozonung (das Gebäude auf dem Dachgeschoss wird nicht vorgesehen und der Sauerstofftank ist stehend neben dem Gebäude) Der Reaktor hat ein Nutzvolumen von 530 m 3, um auch bei maximalem Zufluss (720 l/s) eine Aufenthaltszeit von mindestens 10 Minuten zu gewährleisten. Der Reaktor wird durch Trennwände in 6 Kompartimente unterteilt, so dass hydraulisch eine Rührkesselkaskade entsteht. Der bestehende Kanal zwischen Auslauf Nachklärung und Zulauf Filtration wird teilweise zurückgebaut und durch den Reaktor ersetzt. Für optimale hydraulische Bedingungen betreffend gleichmässiger Verteilung des Wassers über die ganze Breite des Reaktors wird eine neue Zulaufrinne mit beidseitiger Überfallkante erstellt. Sollten sich den Trennwänden entlang kurzschlussartige Strömungsverhältnisse einstellen, werden die Trennwände über die gesamte Reaktorbreite mit höhenverstellbaren, horizontal auskragenden Blechen nachgerüstet, die die Kompartimentbreite entsprechend verjüngen und die Strömung umlenken. Der Auslauf des Reaktors mündet in der ursprünglichen Zulaufrinne zur Filtration. Ozoneintrag und Abluftbehandlung Das Ozon wird vor Ort aus Flüssigsauerstoff in einem Ozongenerator erzeugt. Die Tankanlage steht ausserhalb des Gebäudes und muss die Sicherheitsvorschriften für Flüssigsauerstoffumschlag und -lagerung erfüllen (Brand- und Blitzschutz, Überwachung). Der Ozoneintrag erfolgt über je 24 Keramikdiffusoren im ersten und/oder dritten Kompartiment und damit im Gegenstrom (d.h. Gasgemisch steigt auf, Wasser fliesst abwärts). Zusätzlich kann beim Überlauf zum dritten und fünften Kompartiment Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) dosiert werden. Dieses reagiert mit Ozon zu OH-Radikalen, die auch schwer abbaubare Verbindungen angreifen (dadurch steigt aber der Ozonbedarf). Der gesamte Gasraum über dem Wasserspiegel im Ozonungsreaktor ist durch Öffnungen verbunden, damit das aus der Wasserphase austretende Gas vermischt, an einer Stelle abgezogen und zum Restozonvernichter geleitet werden kann. Um Gasaustritte in den Zulaufkanal der Ozonung und zum Quelltopf vor der Filtration zu vermeiden, werden Zu- und Ablauf zum Ozonungsreaktor mit Tauchwänden ausgeführt. Der Filter ist ebenfalls komplett gasdicht mit einer Abdeckung ausgeführt, und wird bezüglich allfälliger Restozongehalte im Gasraum messtechnisch überwacht und zwangsentlüftet. Eine allfällige Schaumbildung im Ozonungsreaktor wird mit einer Schaumsonde detektiert und kann mit einem fix eingebauten Seite 4

5 Spritzsystem und Spritzdüsen bekämpft werden. Der Restozonvernichter wird mit einer vorgeschalteten Kondensatfalle vor Schaum geschützt. Um die Sicherheit des Betriebspersonals zu gewährleisten, werden an neuralgischen Punkten Ozon- und Sauerstoffsensoren installiert. Sprechen diese an, wird die Anlage automatisch abgeschaltet. Um mit der Ozonung in Dübendorf verschiedene Fragestellungen klären zu können, ist ein umfangreiches Messprogramm vorgesehen, das auch einen hohen Grad an Flexibilität bietet. Es werden insgesamt 7 Messstellen vorgesehen: eine im Zulauf zum Reaktor, die anderen sechs an verschiedenen Stellen im Reaktor. Die Probenahmerohre aus Edelstahl münden in einem Messraum unterhalb des Ozonungsreaktors, um die Fliesszeiten möglichst kurz zu halten und damit die Ozonzehrung zu minimieren. Von diesen sechs Probenahmestellen können jeweils drei nacheinander automatisch beprobt werden. Folgende Online-Messungen sind zurzeit vorgesehen: Zulauf: DOC, Nitrit, Absorbanz (254, 366 und 700 nm) Reaktor: ph, Redox, Ozon (gelöst), evtl. Absorbanz (254, 366 und 700 nm) Ablauf: Absorbanz (254, 366 und 700 nm) Zusätzlich werden im Zu- und Ablauf des Ozonungsreaktors Probenehmer und Anschlüsse installiert, um Wasser für die chemische Analytik, Biotests und weitere Untersuchungen zu entnehmen. Die Ozonmessung in der Wasserphase erfolgt mit photometrischen Ozonsonden, welche durch Schrägsitzfilter geschützt werden. Dieses System hat sich im Gegensatz zu ampèrometrischen Ozonmessgeräten bei den Versuchen auf der STEP de Vidy bewährt (Margot et al, 2011). Nachbehandlung Eine Schlussfolgerung aus den grosstechnischen Versuchen im Projekt Strategie Micropoll und ähnlichen Untersuchungen in Deutschland war, dass nach der Ozonung eine Stufe mit biologischer Aktivität angeordnet werden soll, um reaktive Umwandlungsprodukte biologisch abzubauen. In den bisherigen Versuchen kamen bestehende Sandfilter zum Einsatz. In Dübendorf sollen zusätzlich in kleinem Massstab ein Festbett, Wirbelbett und ein Filter mit granulierter Aktivkohle getestet werden. Die Idee des Aktivkohlefilters ist dabei, die Kohle nicht auszuwechseln, sondern sie als biologisch aktiven Filter zu nutzen. Erste Erfahrungen aus Australien sind vielversprechend (Reungoat et al., 2010). Die Wirksamkeit der verschiedenen Nachbehandlungsstufen soll dabei vor allem mit Biotests untersucht werden. Vorversuche und erste Resultate Um die Ozondosierung zu optimieren und gleichzeitig eine betriebliche Überwachung der geforderten Spurenstoffelimination zu gewährleisten, wird im Zu- und Ablauf der Ozonung die Absorbanz bei verschiedenen Wellenlängen gemessen. Aus früheren Studien (Bahr et al., 2007/ Nanoboina und Korshin, 2010) ist bekannt, dass eine Korrelation zwischen Spurenstoffelimination und Absorbanzabnahme bei der Ozonung besteht. In Labor- und Pilotversuchen an der Eawag wurden weitere Tests zu dieser Korrelation bei 254 und 366 nm durchgeführt, ohne das Abwasser mit Spurenstoffen zu spiken. In Tab. 2 sind die entsprechenden Absorbanzabnahmen bei 50 resp. 80 % Spurenstoffelimination vier verschiedener organischer Spurenstoffe aufgezeigt. Seite 5

6 Tab. 2: Absorbanzabnahme (254 und 366 nm) bei 50 resp. 80 % Spurenstoffelimination Für die meisten Spurenstoffe ist die Korrelation zwischen Elimination und Absorbanzabnahme aus den beiden Experimenten und der Literatur sehr ähnlich, für andere wiederum überhaupt nicht. Anhand der Laborversuche an der Eawag konnten teils grosse Unterschiede dieser Korrelation zwischen unterschiedlichen Abwässern festgestellt werden. Für eine mögliche Regelungsstrategie muss zuerst die Frage geklärt werden, welche Reinigungsleistung erforderlich ist. Derzeit ist vorgesehen, dies anhand der Elimination über die gesamte ARA von fünf Indikatorsubstanzen (Benzotriazol, Carbamazepin, Diclofenac, Mecoprop, Sulfamethoxazol) zu überprüfen (Götz et al., 2010 / Abegglen und Siegrist, 2012). Von diesen Stoffen zeigte Benzotriazol die schlechteste Eliminationsleistung (Mecoprop wurde nicht gemessen). Benzotriazol wird in der biologischen Stufe ca. zu 50% abgebaut. Nimmt man also an, dass bei einer Elimination von Benzotriazol von 50% in der Ozonung die Reinigungsleistung über die gesamte ARA ausreichend ist, müsste die Absorbanz entsprechend um 41% bei 254nm, resp. 70% bei 366nm abnehmen. Mit dieser Absorbanzabnahme werden auch die meisten anderen Spurenstoffe zu einem grossen Teil eliminiert. Aus dieser Korrelation wird nun eine Regelstrategie abgeleitet und grosstechnisch getestet. Fazit Auf der Kläranlage Neugut in Dübendorf wird die erste dauerhafte, grosstechnische Ozonung auf einer kommunalen Kläranlage der Schweiz installiert. Diese erste Anlage soll genutzt werden, um verschiedene offene Fragen bezüglich dieser Technologie zu beantworten. Es ist daher ein umfangreiches Mess- und Überwachungskonzept geplant. Von besonderem Interesse sind dabei die Optimierung der Ozondosierung, die Überwachung und Messtechnik, sowie die Nachbehandlung. Verfasser: Anita Wittmer Eawag Überlandstrasse Dübendorf Tel. +41 (0) Fax: +41 (0) anita.wittmer@eawag.ch Seite 6

7 Literatur Abegglen C., Siegrist H. Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser. Verfahren zur weitergehenden Elimination auf Kläranlagen, Bundesamt für Umwelt, Bern, Umwelt-Wissen Nr. 1214: 210 S (2012) Bahr C., Ernst M., Heinzmann B., Jekel M., Luck F., Ried A. Götz C., Abegglen C., McArdell C., Koller M., Siegrist H., Hollender J., Schärer M. Margot J., Magnet A., Thonney D., Chèvre N., de Alencastro F., Rossi L. Mertens M. Nanoboina V., Korshin G.V. Reungoat J., Escher B., Macova M., Carswell S. Mueller J., Keller J. Trachsel M. Ozonung von gereinigtem Abwasser zur Spurenstoffentfernung und Desinfektion. Korrespondenz Abwasser 54(9), p Mikroverunreinigungen - Beurteilung weitergehender Abwasserreinigungsverfahren anhand Indikatorsubstanzen. Gas, Wasser, Abwasser 4/2010, p Traitement des micropolluants dans les eaux use Rapport final sur les essais pilotes à la STEP de Vidy (Lausanne), Ed. Ville de Lausanne (2011) Gesunde Fische in unseren Fliessgewässern: 10-Punkte Plan. Fischnetz+, Eawag, Bundesamt für Umwelt. 24 S. (2007) Evolution of Absorbance Spectra of Ozonated Wastewater and Its Relationship with the Degradation of Trace-Level Organic Species, Department of Civil and Environmental Engineering, Box , University of Washington, Seattle, Washington , Environ. Sci. Technol. (2010), 44, Removal of micropollutants and reduction of biological activity in a full scale reclamation plant using ozonation and activated carbon. Water Research 44(2), p (2010) Konsensplattform "Hormonaktive Stoffe in Abwasser und Gewässern". Schlussdokument Nationales Forschungsprogramm "Hormonaktive Stoffe", Basel, 15 S. (2008) Seite 7