Erfahrungen zur Elimination von. Spurenstoffen auf Kläranlagen

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1 Wirtschaftsbetriebe Duisburg - AöR Erfahrungen zur Elimination von Spurenstoffen auf Kläranlagen Vortrag im Rahmen des Workshops Maßnahmenprogramm WRRL 2015 und Mikroschadstoffreduzierung am Bezirksregierung Düsseldorf Dipl.-Ing. Hans-Peter Becker Geschäftsbereichsleiter Stadtentwässerung / Infrastruktur 1

2 Spurenstoffelimination mittels Ozon auf der Kläranlage Duisburg-Vierlinden Inhalte des Vortrages Veranlassung für die Errichtung einer Anlage zur Spurenstoffelimination Kurzbeschreibung der Anlage Betriebsweisen Ergebnisse aus dem bisherigen Betrieb Problemstellungen im bisherigen Anlagenbetrieb Aspekt Wirtschaftlichkeit Offenen Fragestellungen und Ausblick 2

3 Spurenstoffelimination mittels Ozon auf der Kläranlage Duisburg-Vierlinden Historie Politischer Auftrag an die WBD AöR, sich mit der Thematik Spurenstoffelimination auseinander zu setzen Herbst 2007 Entscheidung zur Errichtung einer Anlage zur Ozonung III. Quartal 2008 Ausschreibungs- / Vergabeverfahren III / 2009 bis I / 2010 Baubeginn Mai 2010 Probebetrieb der Anlage Juni 2011 Inbetriebnahme Oktober 2011 Seit Anfang 2012 Untersuchungen im großtechnischen Maßstab im Rahmen verschiedener MKULNV-Forschungsprojekte zur Spurenstoffelimination 3

4 Spurenstoffelimination mittels Ozon auf der Kläranlage Duisburg-Vierlinden 4

5 Kläranlage Duisburg-Vierlinden Grundlagen der Anlagenauslegung mechanisch-biologische Kläranlage Ausbaugröße EW nahezu ausschließlich häusliches Abwasser Anschluss einer Suchtklinik Ablauf der Kläranlage durchfließt ein FFH- Naturschutzgebiet Abwassermengen u. Überwachungswerte der Kläranlage Vierlinden: Parameter Einheit Tageszufluss Q d [m³/d] Trockenwetterzufluss Q t [m³/h] 400 Mischwasserzufluss Q m [m³/h] 800 N anor g im Ablauf - [mg/l] 18 NH 4 -N im Ablauf - [mg/l] 10 CSB im Ablauf - [mg/l] 90 P ges im Ablauf - [mg/l] 2 5

6 Verfahrenstechnik Kläranlage Duisburg-Vierlinden: Ozonung zur Elimination von organischen Spurenstoffen Auslegung für EW 2straßige Ozonbehandlungsanlage 2straßiges Abwasser-Pumpwerk 2 x 100 m³ Beckenvolumen O 3 -Eintragssysteme Diffusoren-Technik Pumpe-Injektor-Technik max. Abwasseranfall 400 m³/h (Q t ) Ozonbedarf max 2 4 kg/h biologische Nachbehandlung jede Beckenstraße regelbar Gesamtinvest. 1,5 Mio., gefördert durch die NRW.Bank Inbetriebnahme Juni

7 Verfahrenstechnik Injektor- und Diffusorstraße Technische Daten Injektorstraße Volumen von 100 m³ inkl. biologischer Nachbehandlung Durchsatz: 200 m³/h Technische Daten Diffusorstraße Volumen von 100 m³ inkl. Ausgasung Durchsatz: 200 m³/h DOC Steuerung der Ozondosierung 7

8 Verfahrenstechnik Fließbild NK1 NK2 Umlenkschacht Auslaufbauwerk Brusbach Q [l/s] Pumpenvorlage Restozonvernichter 1 O3 [mg/l] Abdeckung (gasdicht) biol. Nachbehandlung (Wirbelbett) DOC [mg/l] Temp [ C] Injektorstraße ph [-] PN 3 O3 [mg/l] Q [l/s] Q [Nm³/h] O3 [g/nm³] Mischer Ozonerzeugung 1 Injektorpumpen Restozonvernichter 2 O3 [mg/l] Abdeckung (gasdicht) DOC [mg/l] Temp [ C] Q [l/s] Diffusorstraße ph [-] DOC [mg/l] Temp [ C] ph [-] PN 1 Ozonerzeugung 2 O3 [g/nm³] Q [Nm³/h] O3 [mg/l] PN 2 O3 [mg/l] 8

9 Verfahrenstechnik Ozongeneratoren System: 2 x SMO 400 S Ozonproduktionskapazität je Gerät (Auslegung/max) : / 2019 g O 3 /h Ozonkonzentration im Gas (Auslegung): 148 g O 3 /Nm³ Einsatzgas Lieferdruck: 0.9 bar(g) Kühlwassertemperatur, Design: < 25 C Kühlwasserfluss Design / Gerät: 5,8 m³/h Beispielbilder: ITT Waste & Wastewater (Wedeco) Grontmij: Ozongenerator KA Duisburg- Vierlinden (ITT Waste & Wastewater) 9

10 Aufenthaltszeit Parallelbetrieb der Injektor- und Diffusorstraße und Einzelbetrieb der Straßen 10

11 Eliminationsraten Parallelbetrieb der Injektor- und Diffusorstraße, Mittelwert aus 4 Versuche, O 3 -Dosierung z spez. = 0,5 go 3 /gdoc 11

12 Eliminationsraten Parallelbetrieb der Injektor- und Diffusorstraße, 1 Versuch je Solldosis von 2, 5 und 7 mgo 3 /L 12

13 Transformationsprodukte geringe Konzentration von Bromid und Nitrosaminen Bromatkonzentration < Grenzwert Trinkwasser 10 µg/l (Bromat) Hohe Ozonkonzentrationen einsetzbar 13

14 Leistungsbedarf [KWh/h] Energieverbrauch Leistungsbedarf Ozonanlage (mit Pumpwerk) y = 0,1337x + 0,662 R² = 0,9634 y = 0,1144x + 5,3949 R² = 0,7412 y = 0,0873x + 1,5555 R² = 0,9856 y = 0,0873x + 4,9538 R² = 0,7643 y = 0,1106x + 1,155 R² = 0,9766 y = 0,1118x + 4,374 R² = 0, Leistungsbedarf für 3 mg/l Ozonerzeugung Diffusor Leistungsbedarf für 5 mg/l Ozonerzeugung Diffusor Leistungsbedarf für 7 mg/l Ozonerzeugung Diffusor Leistungsbedarf für 3 mg/l Ozonerzeugung Injektor Leistungsbedarf für 5 mg/l Ozonerzeugung Injektor Leistungsbedarf für 7 mg/l Ozonerzeugung Injektor Linear (Leistungsbedarf für 3 mg/l Ozonerzeugung Diffusor) Linear (Leistungsbedarf für 5 mg/l Ozonerzeugung Diffusor) Linear (Leistungsbedarf für 7 mg/l Ozonerzeugung Diffusor) Linear (Leistungsbedarf für 3 mg/l Ozonerzeugung Injektor) Linear (Leistungsbedarf für 5 mg/l Ozonerzeugung Injektor) Linear (Leistungsbedarf für 7 mg/l Ozonerzeugung Injektor) Zulaufmenge Ozonanlage [m³/h] 14

15 Energieverbrauch Verbraucher Injektor Diffusor Energiebedarf [kwh/h], Q in m³/h spez. Energiebedarf [kwh/m³] bei 100 m³/h Energiebedarf [kwh/h], Q in m³/h spez. Energiebedarf [kwh/m³] bei 100 m³/h Zulaufumpwerk 0,054*Q + 2,27 0,077 0,058*Q + 0,14 0,059 Ozonerzeugung + Eintrag (3 mgo 3 /L) Ozonanlage gesamt (3 mgo 3 /L) Ozonerzeugung + Eintrag (5 mgo 3 /L) Ozonanlage gesamt (5 mgo 3 /L) Ozonerzeugung + Eintrag (7 mgo 3 /L) Ozonanlage gesamt (7 mgo 3 /L) 0,033*Q + 2,68 0,060 0,030*Q + 1,42 0,044 0,087*Q + 4,95 0,137 0,087*Q + 1,56 0,103 0,058*Q + 2,10 0,079 0,053*Q + 1,02 0,063 0,112*Q + 4,37 0,156 0,111*Q + 1,16 0,122 0,060*Q + 3,12 0,092 0,076*Q + 0,53 0,081 0,114*Q + 5,39 0,168 0,134*Q + 0,66 0,140 15

16 Erkenntnisse aus den Versuchen Abbauleistungen bei Injektorstraße und Diffusorstraße nicht signifikant unterschiedlich Energieverbrauch bei Injektorstraße geringfügig höher ( wegen Injektorpumpe) Transformationsprodukte : bislang keine Auffälligkeiten Aufenthaltszeiten insbesondere bei Schwachlastbetrieb deutlich zu hoch zu hoher Ozoneintrag / Energieeinsatz Injektor für die unterschiedlichen Zulaufmengen scheinbar besser geeignet und regelbar Eintragseffizienz für Ozon liegt i.d.r. bei über 90 % 16

17 Erkenntnisse aus den Versuchen i.d.r. kann beim tatsächlichen Trockenwetterzufluss der gesamte Kläranlagenablauf mit nur einer Straße behandelt werden Störungs- bzw. reparaturbedingte Stillstandszeiten lagen bei ca. 3 % der Betriebsstunden ( Betrachtungszeitraum 1,5 Jahre ) Einweisung / Unterweisung der Mitarbeiter auf der Kläranlage erwies sich als unproblematisch 17

18 Aufgetretene Betriebsprobleme Verstopfung im Kühlwasserkreislauf Einbau einer Beutelfilteranlage Ozonmessung in der gelösten Phase im Ablauf zu ungenau Ersatz durch empfindlicheres Messsystem (Orbisphere) Undichtigkeiten von Flanschverbindungen im Ozoneintragssystem Austausch von Dichtungen und Anpassung der Spülzeiten der Leitungen mit Sauerstoff bei Abschaltung der Ozonerzeugung Probenvorbereitung der DOC-Messung unzureichend Installation einer Membranfiltration zur Probenaufbereitung Ventile zur Gasflussregelung und -aufteilung auf die Diffusorstränge arbeiten aufgrund der relativ geringen Gasvolumenströme unzuverlässig Umrüstung der Diffusor- zur Injektorstraße 18 Die erforderliche Mindestbeaufschlagung des Diffusorsystems verursacht einen vergleichsweise hohen Sauerstoffverbrauch zur Ozonerzeugung Umrüstung der Diffusor- zur Injektorstraße

19 Erkenntnisse zum weiteren Anlagenbetrieb Ozon Dosis ca. 3,5 5 mg/l ( betriebl. Optimum aus Energieeinsatz und Eliminationsleistung (Leitparameter Carbamazepin, Diclofenac ) noch näher zu verifizieren Verringerung Anzahl der Diffusoren; ggfs. autom. Abschaltung einzelner Diffusorenstränge Abschaltung einer Straße bei Schwachlastbetrieb Biologische Nachbehandlung erscheint angeraten Regelung der Ozon-Dosis über DOC-proportionale Steuerung zeigte keine entscheidenden Vorteile, zudem Fehleranfällig 19

20 Wirtschaftlichkeit Kosten der Anlage stark geprägt vom Zulaufpumpwerk ( ca bei Gesamtbetriebskosten von ca ( 13 % ) Energiebedarf ca. 145 MWh/a ( i.m. 5 mg/l Ozon ) Ist- Kosten ca. 0,15 pro m³ ( Grundlage : JSWM von 1,1 Mio m3 entspricht in etwa dem Frischwasserbezug im Einzugsgebiet ) Jahreskosten incl. Kapitalkosten : ca. 230 T pro Jahr (ohne Förderung) ca. 0,21 / m³ Personalaufwand ca. 500 Stunden pro Jahr ( eigenes Personal ) zzgl. externe Wartungsarbeiten 20

21 Ausblick Weitere Untersuchungen zur Wirksamkeit der biologischen Nachbehandlung ( speziell des Biofilms) Simulationsgestützte strömungsmechanische Optimierung der Injektorstraße Geplanter Umbau der Diffusorstraße zur Injektorstraße incl. biologischer Nachbehandlung Steuerungstechnische Optimierung u.a. durch Implementierung eines Schwachlastbetriebsmodus Energetische Optimierung einiger Aggregate Ggfs. weitere toxikologische Untersuchungen im Anlagenablauf 21

22 Wirtschaftsbetriebe Duisburg - AöR Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 22