Weitergehende Abwasserreinigung auf Kläranlagen. - Möglichkeiten und Potentiale - Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Thomas Osthoff 13.

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1 Weitergehende Abwasserreinigung auf Kläranlagen - Möglichkeiten und Potentiale - Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Thomas Osthoff 13. Oktober 2015

2 Dr. Born Dr. Ermel GmbH Ingenieure Seit 1972 Erfahrung in der Beratungs- und Planungsarbeit Interdisziplinäre und leistungsstarke Teamarbeit Praxisbezug durch umfangreiche Anlagenrealisierung Flexible Abläufe und angepasster Personaleinsatz Kompetenz in Rechtsfragen bei Planung, Gutachten und Studien Unabhängigkeit in Beratung und Planung Wir planen Zukunft zuverlässig kompetent dynamisch innovativ unabhängig 2

3 Regionalbüros Hauptsitz Achim Büro Ostfriesland Büro Rhein/Main Büro Süd Büro IPU-Dresden Büro Ostfriesland Geschäftsführer: Dr. Michael Werner Büroleiter: Adelbert Lühring Büro Rhein/Main Büro IPU - Dresden Geschäftsführer: Dr. Gerrit Ermel Büroleiterin Dr. Ellen Werner Geschäftsführer: H.-D. Matthias Büroleiter: Florian Herbert Büro Süd Geschäftsführer: Henry Och Büroleiter: Christof Barthel Büro Hong Kong Geschäftsführer: Holger Schröder Büroleiter: Markus Klemmer 3

4 Leistungsvermögen 160 Mitarbeiter ermöglichen einen an das jeweilige Projekt angepassten Personaleinsatz. Unsere Stärke: Zusammenarbeit aller Fachingenieure in interdisziplinären Teams. 4

5 Leistungsspektrum und Arbeitsfelder Wasser Schlamm Industrie Abfall Abwasser Bauwesen Energie Infrastruktur Elektrotechnik Altlasten/ Deponien 5

6 Inhalt Elimination von Spurenstoffen Prozesswasserbehandlung 6

7 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 7

8 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 8

9 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 9

10 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 %) 10

11 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 11

12 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 12

13 Wo ist Spurenstoffelimination ein Thema? Großtechnische Untersuchungen und Umsetzung einer vierten Reinigungsstufe bislang vor allem: in der Schweiz in Baden-Württemberg in Nordrhein-Westfalen Schmerzmittel (z. B. Diclofenac) belasten deutsche Gewässer (Quelle: UBA, 2012) Stand Juni 15 Quelle: Quelle: IWW Journal, August

14 Beispiel Kläranlage Wuppertal-Buchenhofen Ausbaugröße EW Paralleler Einsatz von GAK und PAK in Filtration 14

15 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,

16 Inhalt Elimination von Spurenstoffen Prozesswasserbehandlung 16

17 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,

18 Welche Auswirkungen hat das Prozesswasser? N-Rückbelastung durch Prozesswasser 6,1 11,5 11,0 Vorklärung 10,0 10,2 Hauptstrom Biologie VK BB NK Atmosphäre 2,5 Zulauf KA (BSB 5 /N~5,5) PS Zulauf BB (BSB 5 /N~3,5) 4,0 ÜS Ablauf 0,2 PWB h el 85 % 3,9 Rohschlamm Schlammbehandlung ED FB MÜSE?? 1,5 SEW CH 4 BHKW ggf. Brüden Prozesswasser ggf. Fremdschlamm 2,4 Klärschlamm [g N/(E*d)] 18

19 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 19

20 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 20

21 Welche Vorteile bietet eine Deammonifikation? Nitrifikation/ Denitrifikation Nitritation/ Denitritation Deammonifikation Sauerstoffbedarf [kwh/ kg N] 4,3 (100 %) 2,7 (63 %) 1,5 (35 %) Kohlenstoffbedarf [g CSB/ g N] 2,86 (100 %) 1,71 (60 %) 0 (0 %) Schlammproduktion [g TS/ g N] 1,78 (100 %) 1,13 (63 %) 0,23 (13 %) N-Elimination [%] > 80 % > 80 % 80 % Deammonifikation bietet wirtschaftliche und ökologische Vorteile Reinigungsleistung > 80 % durch Kombination mit anderem Verfahren (zweistufig) 21

22 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 [%] 22

23 Fallbeispiel KA EW RE SF VK BB (2er Kaskade) NK < 18 mg N/l PWB? PS V BB = m³ ÜS N-Rückbelastung 10 % PWS SW SEW FB Klärschlamm Ausgangssituation Kläranlage vollständig ausgelastet Weitere Belastungssteigerung prognostiziert Aufgabe Schaffung zusätzlicher Reinigungskapazität Potential einer Prozesswasserbehandlung im Teilstrom ermitteln 23

24 Fallbeispiel KA EW Vordimensionierung Teilstrombehandlung Verfahren: 1-stufige Deammonifikation Zulaufspeicher: vorhandenen Speicher weiternutzen Reaktoren: 2 SBR mit je 125 m³ Investition: rund Maschinenhaus PW-Speicher (vorhanden) Deammonifikation V = 2 x 125 m³ Aufteilung Investitionskosten 24

25 Fallbeispiel KA EW Entlastung durch Prozesswasserbehandlung N-Elimination: 70 % im Jahresmittel (~ 7 % bzgl. Zulauf BB) DV BB,erf. : sehr gering (< 5 %) vorhanden: BSB 5 /N ZB 6,0 V D /V BB,erf. < 20 % 25

26 Fallbeispiel KA EW Einfluss der Prozesswasserbehandlung Prozesswasserbehandlung bringt aktuell kaum Entlastung für geringere C/N-Verhältnisse (Wegfall Lebensmittelindustrie) interessant 26

27 Fallbeispiel KA EW 2-stufige Kläranlage mit derzeitiger Rohschlammverbrennung RZ Abwasser ( EW) RE SF VK A-Stufe ZK B-Stufe NK FF PS ÜS PWB FB Prozesswasser Fremdschlamm (1,2 Mio. EW) MÜSE Rohschlamm SEW SVA Einbindung einer Schlammfaulung Verbesserte Energiebilanz der Gesamtanlage N-Rückbelastung steigt von 4 % auf 40 % bzgl. Zulauf Belebung Prozesswasserbehandlung für Einhaltung von ÜW N erforderlich! 27

28 Fallbeispiel KA EW Anforderungen an Prozesswasserbehandlung Behandlung des gesamten Prozesswassers (2.500 m³/d; 2,3 t N/d) Stickstoffelimination mindestens 80 % ganzjährig Hohe Flexibilität Gewähltes Konzept 1. Stufe: Deammonifikation (so viel wie möglich) 2. Stufe: Nitri/Deni (so viel wie nötig) C-Quelle Schlamm- Entwässerung Zulaufspeicher SBR Zwischenspeicher SBR Ablauf zur Kläranlage Deammonifikation Nitri/Deni 28

29 Fallbeispiel KA EW Gebäudekonzept 29

30 Fallbeispiel KA EW Gebäudekonzept 30

31 Wo ist eine biologische Prozesswasserbehandlung ein Thema? Bei Umstellung von aerober Stabilisierung auf Faulung Bei Schlammfaulung im Verbund Bei gut ausgelasteten Kläranlagen Deutschlandweit: bereits über 70 biologische Prozesswasseranlagen in Betrieb Bestehende Prozesswasseranlagen Merkblatt Biologische Stickstoff- Elimination von Schlämmwässern der anaeroben Stabilisierung DWA M 349 in Arbeit Veröffentlichung für 2016 geplant Stand

32 Zusammenfassung Spurenstoffelimination Oberflächengewässer mit Spurenstoffen belastet noch keine gesetzlichen Anforderungen für Deutschland geeignete Verfahren (Aktivkohle und Ozonung) erprobt Vierte Reinigungsstufe Erhöhung der Betriebskosten Prozesswasserbehandlung Entlastung des Hauptstroms Potential für die Schlammfaulung (z.b. mehr Primärschlamm oder Desintegration) zusätzliche Verfahrensstufe 32