Weitergehende Abwasserreinigung auf Kläranlagen. - Möglichkeiten und Potentiale - Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Thomas Osthoff 19.

Transkript

1 Weitergehende Abwasserreinigung auf Kläranlagen - Möglichkeiten und Potentiale - Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Thomas Osthoff 19. März 2015

2 Inhalt Prozesswasserbehandlung Elimination von Spurenstoffen 2

3 Was ist Prozesswasser? Definition Abwasser der Schlammeindickung und Schlammentwässerung auf Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung Charakteristische Eigenschaften Parameter Kommunales Abwasser Prozesswasser Minimum Maximum Minimum Maximum BSB 5 [g O 2 /m³] CSB [g O 2 /m³] TKN [g N/m³] NH 4 + [g N/m³] P ges [g P/m³] ph [-] LF [ m S/cm] Quelle: Liebig,

4 Welche Auswirkungen hat das Prozesswasser? N-Rückbelastung durch Prozesswasser 11,0 Vorklärung 11,5 10,0 10,2 6,1 Atmosphäre Hauptstrom Biologie VK BB NK 2,5 Zulauf KA (BSB 5 /N~5,5) PS Zulauf BB (BSB 5 /N~3,5) 4,0 ÜS Ablauf 0,2 PWBH h el 85 % 3,9 Rohschlamm Schlammbehandlung ED FB MÜSE?? 1,5 SE CH 4 BHKW ggf. Brüden Prozesswasser ggf. Fremdschlamm 2,4 Klärschlamm [g N/(E*d)] 4

5 Welche Möglichkeiten zur Behandlung gibt es? Prozesswasserbehandlung (PWB) gemeinsame Behandlung im Hauptstrom getrennte Behandlung im Nebenstrom Bewirtschaftung Verbesserung der N-Elimination im Hauptstrom biologische Behandlung chemisch-physikalisch Behandlung Tages-/Wochenausgleich Zugabe externer Kohlenstoffquellen Nitrifikation/Denitrifikation Dampf-/Luftstrippung Rückführung entsprechend der N-Elimination im Hauptstrom Anpassung des erforderlichen DN-Volumens Nitritation/Denitritation Fällung Deammonifikation Auf den meisten Kläranlagen wird das Prozesswasser im Hauptstrom mitbehandelt Eine Biologische Behandlung im Nebenstrom gewinnt an Bedeutung DWA-Merkblatt M 349 Biologische N-Elimination aus Prozesswässern in Arbeit 5

6 Welche Möglichkeiten zur Behandlung gibt es? NH 4 Deammonifikation N org NH 4 + NO 2 = N H 2 O O 2 (vereinfacht) Partielle Nitritation Anoxische Ammoniumoxidation N 2 NO 2 NH 4 -N NO 2 -N N 2 Denitritation NH 4 -N C org C org O 2 Nitrosomonas (aerob) Planctomyceten (anoxisch) NO 3 -N NO 2 Denitratation C org NO 3 Nitrifikation/Denitrifikation Nitritation/Denitritation Deammonifikation Vorteile: kein org. C-Bedarf niedriger O 2 -Bedarf geringer TS-Anfall 6

7 Welche Vorteile bietet eine Deammonifikation? Nitrifikation/ Denitrifikation Nitritation/ Denitritation Deammonifikation Sauerstoffbedarf [g O 2 / g N] Kohlenstoffbedarf [g CSB/ g N] CO 2 -Emissionen [g CO 2 / g N] Schlammproduktion [g TS/ g N] N-Elimination [%] 4,57 3,43 1,94 2,86 1,71 0 5,76 4,72 3,40 1 1,2 0,8 0,9 < 0,1 > 80 % > 80 % 80 % Deammonifikation bietet wirtschaftliche und ökologische Vorteile Reinigungsleistung > 80 % durch Kombination mit anderem Verfahren (zweistufig) 7

8 Verbesserung der N anorg -Ablaufwerte [%] Welches Potential bietet eine Prozesswasserbehandlung? Entlastung der Hauptstrombiologie Reduktion des Beckenvolumens Einsparung externer C-Quelle Vergrößerung der Vorklärung mehr Primärschlamm Mitausfaulung von Fremdschlamm mehr Faulgas Einfluss einer PWB auf Ablaufwerte 40% 35% 30% 25% 20% Modellkläranlage EW Überwachungswert= 18 mg N anorg /l Sicherheitsfaktor= 1,67 7,5% N-Rückbelastung 12,5% N-Rückbelastung 17,5% N-Rückbelastung Verbesserung der N-Ablaufwerte Einsparung von Abwasserabgabe Zusätzliche Verfahrensstufe mit anspruchsvoller Steuerung 15% 10% 5% 0% Elimination in Schlammwasserbehandlung [%] 8

9 Wo ist eine biologische Prozesswasserbehandlung ein Thema? Bei Umstellung von aerober Stabilisierung auf Faulung Bestehende Prozesswasseranlagen Bei Schlammfaulung im Verbund Deutschlandweit: bereits über 50 biologische Prozesswasseranlagen in Betrieb Aktuelle Projekte bei B&E: ARA Frankfurt Sindlingen (Neubau Schlammfaulung) Mitarbeit in DWA-Arbeitsgruppe Stand

10 Inhalt Prozesswasserbehandlung Elimination von Spurenstoffen 10

11 Was sind Spurenstoffe? Anthropogene Stoffe im Abwasser anthropogen = vom Menschen erzeugt kommen nur in sehr geringen Konzentrationen (<< 1 mg/l) im Wasser vor durch die verbesserte Analysetechnik werden immer mehr Stoffe nachgewiesen Hauptgruppen von Spurenstoffen: Pharmaka (für Mensch und Tier) hormonell wirksame Substanzen Pflanzenschutzmittel (PSM) Industriechemikalien Schadstoffe Gefährliche Stoffe Prioritär gefährliche Stoffe Watchlist z.b. Diclofenac Quelle: Pinnekamp,2010 Spurenstoffe 11

12 Wie gelangen Spurenstoffe ins Gewässer? Straßenentwässerung Industrie Haushalt Krankenhaus Landwirtschaft z. B. PFT z. B. Pharmaka z. B. RKM z. B. PAK z. B. PSM Kanalisation Werksanlage kommunale Kläranlage Punkt- Quellen Regenüberläufe, Entlastungen Lecks Diffuse Quellen Oberflächengewässer 12

13 Weitergehende Abwasserreinigung Konventionelle Abwasserreinigung Was geschieht mit Spurenstoffen in einer kommunalen Kläranlage? Mechanisch-biologische Abwasserreinigung Eliminationswege Zulauf R SF VK BB NK Ablauf Biol. Abbau Sorption PS ÜS Verflüchtigung Adsorption Oxidation Membranverfahren PAK GAK AOP Ozon MBR NF/UF Pulveraktivkohle Granulierte Aktivkohle Einsatz von O 3 Erweiterte Oxidationsverfahren Membranbelebung Nano-/ Ultrafiltration 13

14 Wie lässt sich eine Aktivkohleadsorption in eine kommunale Kläranlage integrieren? PAK GAK integriert integriert (ca. 30 mg/l) nachgeschaltet (10-20 mg/l) nachgeschaltet ( BV) in Belebung in Filterzulauf PAK einstufig GAK PAK BB NKB NKB FF NKB FF in Kontaktbecken PAK in separate Stufe zweistufig PAK ngak BB NKB NKB FF NKB FF FF Entsorgung der beladenen Kohle mit dem Schlamm Reaktivierung gute Elimination der meisten Spurenstoffe (> 80 %) 14

15 Was unterscheidet eine Spurenstoffelimination mit PAK von einer mit GAK? PAK GAK Wiederverwendbar? nein ja (regenerierbar) Einfluss auf Belebung? ja (zus. TS BB durch PAK) nein (örtlich fixiert) Eliminationsrate? relativ konstant abhängig von Standzeit Aktivkohle-Einsatz? mg PAK/l mg GAK/l 15

16 Wie lässt sich eine Ozonung in eine kommunale Kläranlage integrieren? Ozonung nachgeschaltet (0,6 0,8 g O 3 /g DOC; 5 10 g O 3 /m³) Sauerstofftank Verdampfer Ozongenerator Restozonvernichter Nachklärung Ozonungsreaktor Sandfilter Elimination abhängig von Ozondosis Quelle: S. Lyko, DWA-NRW 2014 Nachbehandlung zum Abbau der Transformationsprodukte 16

17 Wo ist Spurenstoffelimination ein Thema? Großtechnische Untersuchungen und Umsetzung einer vierten Reinigungsstufe bislang vor allem: in der Schweiz in Baden-Württemberg in Nordrhein-Westfalen Spurenstoffelimination in NRW Schmerzmittel (z. B. Diclofenac) belasten deutsche Gewässer (Quelle: UBA, 2012) Aktuelle Projekte bei B&E : 2 Machbarkeitsstudien in NRW Stand Dez Quelle: 17

18 Beispiel Kläranlage Schwerte Ausbaugröße EW Vergleich von PAK und Ozonung in externer Rezirkulation PAK Dosierung 3 Behälter mit je V = 150 m³ 5 15 mg PAK/l Rezirkulat Ozonung 6 Behälter mit je V = 33 m³ 1 6 mg O 3 /l Rezirkulat 18

19 Beispiel Kläranlage Wuppertal-Buchenhofen Ausbaugröße EW Paralleler Einsatz von GAK und PAK in Filtration 19

20 Was kostet die Spurenstoffelimination? Kosten abhängig von Kläranlagengröße und Verfahren: EW 30 Ct/m³ EW 15 Ct/m³ EW 10 Ct/m³ Quelle: DWA-Arbeitsbericht,

21 Zusammenfassung Prozesswasserbehandlung Entlastung des Hauptstroms Potential für die Schlammfaulung (z.b. mehr Primärschlamm oder Desintegration) zusätzliche Verfahrensstufe Spurenstoffelimination Oberflächengewässer mit Spurenstoffen belastet noch keine gesetzlichen Anforderungen für Deutschland geeignete Verfahren (Aktivkohle und Ozonung) erprobt Vierte Reinigungsstufe Erhöhung der Betriebskosten 21