Einsatz von PAK auf der Oberflächenaufbereitungsanlage Tegel und im Klärwerk Münchehofe

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1 Einsatz von PAK auf der Oberflächenaufbereitungsanlage Tegel und im Klärwerk Münchehofe Fachtagung Arzneimittel und Mikroschadstoffe in Gewässern am 19./ in Düsseldorf Regina Gnirß & Dr.-Ing. Alexander Sperlich Berliner Wasserbetriebe Forschung und Entwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel Technische Universität Berlin Leiter Fachgebiet Wasserreinhaltung

2 Einleitung Wasserversorgung Abwasserentsorgung 202 Mio. m³ / Jahr 224 Mio. m³ / Jahr km Rohr km Kanal 9 Wasserwerke km Druckrohr 953 Brunnen 4(6) Klärwerke 147 Pumpstationen

3 Einleitung FE bei den Berliner Wasserbetrieben Berlin = wichtiges Zentrum für Wasserforschung Themen entlang des Wasserkreislaufs stark bedarfsorientiert zur Optimierung der Investitionen und des technischen Betriebs jährlicher Mittelansatz: ca. 3 Mio. Zusammenarbeit mit Hochschulen, Instituten, Behörden und Firmen Brücke zw. Theorie und Praxis durch gebündeltes Fachwissen innovative Lösungen auf wichtige Fragen Kooperation verkürzt Entwicklungszeiten und ermöglicht Zugang zu Fördermitteln

4 Situation in Berlin Zukünftige Anforderungen Zukünftige Anforderungen: Desinfektion Phosphor << 0,1 mg/l Organische Spurenstoffe Hoher Abwasseranfall, konzentriertes Abwasser (DOC von mg/l) Geringe Verdünnung durch Oberflächenwasser (Faktor 2 6) Klimawandel und Demographie: Anstieg der Spurenstoffkonzentration Nutzung der Oberflächengewässer zur Uferfiltration/GWA und Trinkwassergewinnung

5 Marketing von Gabapentin Pharmaindustrie (Parke-Davis, Pfizer) promotete in 90 er Jahren gezielt Gabapentin auch für Migräne, bipolare Störungen, Schmerzen und Drogenentzug [Steinman et al. 2006] Pfizer wurde 2004 in einem Gerichtsverfahren illegaler Marketingpraktiken für zulassungsüberschreitende Anwendung (off-label use) beschuldigt; 2001 waren > 80% der Umsätze von 1.8 Mrd. $ für off-label use Strafe von 430 Mio. $

6 Einleitung Gesetzliche Rahmenbedingungen «Energie-Paket» Abschwächung des Klimawandels Wasserrahmenrichtlinie EU Berlin -40% Emissionen bis 2030 KW Verbesserung -40% Energieverbrauch (2020) 4.? Reinigungsstufe (P, N, etc.) Innovative und nachhaltige Behandlungstechnologien P < µg/l: Flockungsfiltration mit UV-Desinfektion P < 50 µg/l: Membranfiltration N < 13 mg/l: Biofiltration mit Kohlenstoffdosierung Spurenstoffe: Ozonung vs Pulverkohle

7 Einleitung Varianten für 4. Reinigungsstufen Klarwasserpumpwerk oder UV < 0,4 mg/l TP (Ist-Situation) Membran m/o Ozon Flockung Mikromembran Bypass (> 4.5 m³/s) UV* < 50 µg/l TP (Pilotbetrieb) Raumfilter Ozon + UV Flockung Raumfilter UV* < µg/l TP 80 % Spurenstoffe Raumfilter PAC + UV Flockung + Polymer Mikrosieb UV* < µg/l TP 80 % Spurenstoffe

8 Ausgangspunkt Vergleich OWA Tegel OWA Tegel Flockungsfiltration (Std d. Techn.) Ziel TP 0,02 mg/l TP 0,5 mg/l, TSS 5 mg/l (DWA 203) Verfahren Dosierung Betriebserfahrung Filterbettaufbau 2-stufig Flockung - Sedimentation- Nachflockung - Filtration Flockungsmittel Flockungshilfsmittel (Polymer) Kontinuierliche Optimierung der Rohrflockung, Filteraufbau (keine Stützschicht), Filtermaterial 1-stufig Flockung - Filtration Flockungsmittel ggf. Flockungshilfsmittel Stützschicht, Einschichtfilter verbreitet, selten Mehrschichtfilter 80 cm 130 cm Bims 2,3-4 mm Sand 0,71-1,25 mm cm Sand Stützschicht

9 Ausgangspunkt Vergleich OWA Tegel OWA Tegel FE-Projekt Raumfiltration Ziel TP 0,02 mg/l TP 0,1 mg/l, TSS 1 mg/l Verfahren Dosierung Betriebserfahrung Filterbettaufbau 2-stufig Flockung - Sedimentation- Nachflockung - Filtration Flockungsmittel Flockungshilfsmittel (Polymer) Kontinuierliche Optimierung der Rohrflockung, Filteraufbau (keine Stützschicht), Filtermaterial 1-stufig Flockung - Filtration Flockungsmittel Flockungshilfsmittel notwendig? auf Betriebserfahrungen aufbauen: statischer Mischer, Rohrflockung, keine Stützschicht 80 cm 130 cm Bims 2,3-4 mm Sand 0,71-1,25 mm 60 cm 110 cm Anthrazit 1,4-2,5 mm Sand 0,71-1,25 mm

10 Ergebnisse Raumfiltration Vergleich GAC und Bims P ges (µg L -1 ) n = 17 DOC (mg L -1 ) n = 21 TSS (mg L -1 ) n = 16 UV 254 (m -1 ) n = 21 Färbung (m -1 ) n = 21 Zulauf Pilotfilter 90 ± 60 7,5 ± 1,2 17,9 ± 9,6 18,5 ± 1,9 0,90 ± 0,16 Ablauf GAK/Sand 15 ± 3 6,5 ± 0,9 0,3 ± 0,2 15,9 ± 1,8 0,72 ± 0,14 Ablauf Bims/Sand 15 ± 3 6,6 ± 1,0 0,3 ± 0,1 17,4 ± 1,7 0,84 ± 0,14 Kompakte, einstufige Flockung Sichere Einhaltung der Zielwerte: TSS 1 mg/l und TP 0,15 mg/l Keine Sedimentation und Polymerdosierung notwendig Filterschichtaufbau: GAC ist sehr gut mit Bims vergleichbar!

11 Seesanierung Beispiel Tegeler See

12 Untersuchungsgebiet Tegeler See

13 Spurenstoffe Herausforderung Fortschritte in Analytik führen zum Nachweis von kleinsten Konzentrationen (ng/l-µg/l) von Arzneimittelresten, Haushalts- und Industriechemikalien Spurenstoffe im Wasserkreislauf ubiquitär nachweisbar wirkungsbezogene Bewertung für alle nachgewiesenen Substanzen erforderlich: GOW-Konzept des UBA für Trinkwasser Umweltqualitätsnorm (UQN) für Oberflächengewässer breite wissenschaftliche Diskussion und großes Interesse in Bevölkerung Quelle: Shutterstock / Didecs

14 Indikatorsubstanzen Leitfaden im BMBF-Forschungsverbund RiSKWa erarbeitet Anthropogene Spurenstoffe = Vielzahl chemisch unterschiedlicher Substanzen Anzahl detektierter Substanzen steigt mit Entwicklung der analytischen Verfahren (Arzneistoffe, Arzneistoffmetabolite, Biozide, Flammschutzmittel, PFC) Indikatorsubstanzen: repräsentativ, relevant, gut nachweisbar ermöglicht Vergleich von Verfahren, Überwachung und Steuerung Oxidative removal w/ ozone Adsorptive removal w/ activated carbon High Medium Poor High Medium Poor Carbamazepine, Diclofenac Sulfamethoxazole, FAA Benzotriazole, Metoprolol, Bezafibrate Primidone Gabapentine, Acesulfame X-ray contrast media Jekel, M. und Dott, W.: Leitfaden Polare organische Spurenstoffe als Indikatoren im anthropogen beeinflussten Wasserkreislauf (2013)

15 FE-Projekt ASKURIS Ergebnisse Monitoring aktuell: Bewertung nach GOW Prozesse: Wasserwerk Tegel 1 Medianwerte Werte pro Messstelle Metabolismus Abbau, Adsorption und Strippung im Klärwerk Verdünnung UV-Oxidation im See Abbau und Adsorption in Uferpassage

16 FE-Projekt ASKURIS Allgemeines Titel: Anthropogene Spurenstoffe und Krankheitserreger im urbanen Wasserkreislauf: Bewertung, Barrieren und Risikokommunikation Inhalt: Weiterentwicklung von Analyseverfahren für Spurenstoffe und resistente Keime Untersuchung und Bewertung möglicher Risiken für Mensch und Umwelt Entwicklung, Anwendung und Bewertung innovativer Verfahrenstechniken Erforschung von Risikowahrnehmung und -verhalten Partner:

17 FE-Projekt IST4R Allgemeines Titel: Integration der Spurenstoffentfernung in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe bei Klärwerken Inhalt: Paralleler Betrieb der Raumfiltration mit Ozon Pulverkohle nachgeschalter granulierter Kornkohle Untersuchung und Bewertung möglicher Risiken für Mensch und Umwelt Kostenermittlung der innovativen Verfahren Partner: Gefördert von

18 Spurenstoffentfernung Verfahrensoptionen im Klär- und Wasserwerk Adsorption an PAK a. Abtrennung durch direkte Filtration (PAK-Kontakt im Überstau) Adsorption an GAK a. Flockungsfiltration + nachgeschaltete GAK-Filtration b. Separate Kontaktstufe, Abtrennung durch Sedimentation/ Filtration b. Flockungsfiltration mit zweiter Filterschicht aus GAK Oxidation mit Ozon a. Ozonung + Flockungsfiltration

19 Verfahrensvergleich Ozonung vs. PAK-Adsorption

20 Ozone vs. PAC adsorption Oxidative removal w/ ozone [%] Entfernung mit Ozon [%] z Z O3 =0,33 =0,92 =0.33 =0,54 =0.54 =0.92 z Z PAK PAC =1.8 =4.6 =3.2 =1,8 =3,2 =4, Adsorptive Entfernung removal mit w/ PAK PAC [%] = Effl. Concentrations < LOQ Acesulfame Diclofenac Methylbenzotriazole Diatrizoic acid 4-FAA Metoprolol Benzotriazole Gabapentin Primidone Bezafibrate Iomeprol Sulfamethoxazole Carbamazepine Iopromide Valsartan

21 FE-Projekt ASKURIS Großversuch in der OWA Tegel Großversuch Aktivkohle OWA Tegel eines von drei Modulen (1/3 des Gesamtvolumenstroms) mit Pulveraktivkohledosierung ausgestattet (Silo) in anderem Module Filterzelle mit oberen Filterschicht aus Kornaktivkohle bestückt Fokus: betrieblichen Auswirkungen der Integration einer Spurenstoffentfernung

22 FE-Projekt ASKURIS Großversuch in der OWA Tegel IST

23 Ergebnisse ASKURIS Vergleich von Verfahrensoptionen für die weitergehende Abwasserreinigung KW SCHÖ OWA TEGEL Ozon Ozon +Filter PAK +Filter PAK Simultan Ozon PAK GAK GAK (2.Schicht) Kosten Durchschnittlicher Eliminationsgrad [%] Labor Pilot g CO 2 /m³ OWA Ab. cent/m³ OWA Ab. ATS GAB IOP ACE PRI BEZ BTA MET SMX FAA DCF CBZ 4,8 mg/l 47 2, X 8,4 mg/l 79 3, mg/l 111 4, ,8 mg/l 67 5, X 8,4 mg/l 99 5, mg/l 131 6, mg/l 128 4, X 30 mg/l 290 6, mg/l 448 8, mg/l 106 1, X 30 mg/l 264 3, mg/l 422 5, mg/l 68 2, X 7 mg/l 114 3, mg/l 160 5, mg/l 131 2, X 20 mg/l 326 4, mg/l 521 6, BV 67 6, X BV 135 8, BV , BV 48 1, ??? 0??? X BV 116 2, BV 287 5, Legende 80% Entfernungsleistung: 40 - < 80% 0 - < 40%

24 Umsetzungen in Berlin KW Schönerlinde Beschreibung Investitionskosten Betriebskosten Ozonung KW Schönerlinde/ Nachbehandlung OWA ohne Veränderung 17,1 Mio. 3,3 Mio. Ozonung OWA/ Nachbehandlung ohne Veränderung 19 Mio. 4 Mio. betrieblichen Auswirkungen der Integration der OMP wird weiter untersucht Ozonung KW Schönerlinde/ Nachbehandlung mit FF im KW Schönerlinde Ozonung KW Schönerlinde/ Nachbehandlung mit FF im KW Schönerlinde Mio. (je nach Kontaktzeit) Mio. (je nach Kontaktzeit) ca. 5,4 Mio. > 6 Mio. PAC, GAC und Ozon sind Optionen Ozon im Klärwerk und GAC im Wasserwerk Natürliche Barriere optimal nutzen

25 Zusammenfassung Berliner Wasserbetriebe orientieren sich an integriertem Wassermanagement und betreiben Vorsorgeforschung Integration der Spurenstoffentfernung in Verfahren der weitergehenden Abwasserreinigung durch Kombination mit Ozonung oder Adsorption an Aktivkohle wird in Forschungsprojekten untersucht Investitionen für Erweiterungen und Baufläche erforderlich Spurenstoffentfernung erhöht Betriebskosten / Energieverbrauch in Abhängigkeit der eingesetzten Dosierung ( Zielwerte) Forschungsergebnisse verringern Investitionskosten Berliner Wasserbetriebe investieren über 600 Mio. in die 4. Reinigungsstufe

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Regina Gnirß & Dr. Alexander Sperlich Berliner Wasserbetriebe, Forschung und Entwicklung Wir bedanken uns für die Förderung der FE-Projekte ASKURIS und IST4R.

27 FE-Projekte AquaNES Allgemeines Titel: Demonstrating synergies in combined natural and engineered processes for water treatment systems Koordination: Prof. Wintgens (Schweiz) Kopplung von natürlichen und künstlichen Systemen a) Ozonung + Nachbehandlung Anschluss an ASKURIS, Relevanz für Planung Ozonung Schönerlinde b) Sulfatentfernung durch Nanofiltration hochpriorisierter FE-Bedarf Auftakt: Juni 2016 in Basel

28 Backup