Elimination von Keimen, Mikroplastik und Spurenstoffen durch Einbindung von Membrantechnik

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1 Fachtagung Einsatz von Membrantechnik zur Elimination von Mikropartikeln, Mikroschadstoffen und Keimen 12. April 2016, Essen Elimination von Keimen, Mikroplastik und Spurenstoffen durch Einbindung von Membrantechnik Norbert Engelhardt Erftverband, Bergheim

2 Membranbelebungsanlagen des Erftverbands GKW Nordkanal EW (2004) Mönchen- Gladbach Neuss KA Titz-Rödingen EW (1999) Grevenbroich Bergheim Köln Düren KA Bergh.-Glessen EW (2008) Aachen Bonn Euskirchen 2

3 GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage Verfahrensschema (IST) Rechen Sand- Fettfang Siebe FM Denitrifikation/ Variozone Nitrifikation/ Membranfiltration Permeat RZ ÜSS Kenngrößen: MSE Eindicker Ausbaugröße: EW Max. Abwassermenge m³/d (Mischwasserzufluss) Volumen Belebung m³ (DN - Vario - N) Max. TS Belebung 12 g/l ( derzeit 8 g/l ) Filterfläche Membrane m² (Hohlfaserkapillare) 3

4 Größenvergleich Bakterien./. Membranporen E. Coli ca. 0,5-1,5 µm MS2-Virus (Coliphage) ca. 0,025 µm B. Subtilis ca. 0,3 µm Porengröße ca. 0,04 µm Porengröße ca. 0,2 µm Membran Ultrafiltration Mikrofiltration GE Zenon ZeeWeed 500c (GKW Nordkanal, KA Glessen) 4

5 Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Reinigungsleistung von MBA Standzeit der Membranen: wirtschaftlich IST (2016): > 12 Jahre Betriebssicherheit: sehr hoch seit 12 Jahren: 100% Verfügbarkeit Energiebedarf: leicht höher als bei konventionellen Kläranlagen IST (seit 2015): < 0,6 kwh/m³ (GKW Nordkanal) Qualität des gereinigten Abwassers: hervorragend seit 12 Jahren: ständig hohe Reinigungsleistung frei von Feststoffen bzw. Partikeln weitgehend hygienisiert ( Keime, Bakterien, Viren z.t.) fast frei von Mikroplastik 5

6 GKW Nordkanal (MBA) Energieoptimierung 6 Spezifischer Stromverbrauch [kwh/m³] [kwh/m³] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Entwicklung des Energieverbrauchs 1,13 kwh/m³ Spezifischer Stromverbrauch , , , , , ,00 Zufluß [m³/d] vor der Optimierung (März 2004 Juli 2012) nach 1. Optimierung (Aug Mai 2014) nach 2. Optimierung (Juni 2014 Dez.2014) 0,97 kwh/m³ Zulaufwassermenge [m³/d] 0,59 kwh/m³

7 GKW Nordkanal (MBA) Reinigungsleistung (I) TS-Gehalt [g/l] CSB - Ablaufkonzentrationen [mg/l] 25 CSB -Ablaufkonzentrationen und TSBB-Gehalt CSB [mg/l] TS [g/l] 10 5 Nach der Optimierung

8 GKW Nordkanal (MBA) Reinigungsleistung (II) Hygienische Qualität des gereinigten Abwassers Parameter Einheit Durchschn. Wert Max. Wert Nachweismethode EG Badegewässerrichtlinie Salmonellen /100 ml < 30 < 30 DIN (MPN-Methode) k.a. Intestinale Enterokokken /100 ml 1 4 DIN EN ISO * E-coli /100 ml 1 6 Colilert -18/Quanti-Tray 500 * Coliforme Bakt. /100 ml < Colilert -18/Quanti-Tray k.a. * ausgezeichnete Qualität 8

9 Elimination von Mikroplastik in Kläranlagen Vergleich des Ablaufs unterschiedlicher Kläranlagen/-verfahren GKW Nordkanal 9 Quelle: Abschlussbericht Forschungsprojekt Mikroplastik, Hochschule Bremen, 2015

10 Trenngrenzen der Membranverfahren Filtrationsverfahren Mikrofiltration Partikelfiltration Ultrafiltration Umkehrosmose Nanofiltration Zurückgehaltene Stoffe Suspendierte Stoffe Moleküle, Salze Kolloide Viren Bakterien µm Durchmesser in [µm] 10 Nominale Porengröße der UF-Membrane

11 Spurenstoff-Untersuchungen (Zulauf) Membranbelebungsanlage Nordkanal ( EW) Arzneimittel Ibuprofen Diclofenac Fenoprofen Gemfribozil, Fenofibrat, Clofibrinsäure [Schmerzmittel] [Schmerzmittel] [Schmerzmittel] [Lipidsenker] [Lipidsenker] Zulaufkonzentration > 4,00 μg/l > 2,00 μg/l < 0,50 μg/l < 0,50 μg/l < 0,50 μg/l Komplexbildner Nitriltriessigsäure (NTA) Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) > 20,0 μg/l > 20,0 μg/l Wachstumsregler für Zierpflanzen Dikegulac [seit 2004 verboten] < 0,50 μg/l Pflanzenschutzmittel Dicamba, Mecoprop, MCPA, Dicloprop, 2,4-D (Phenoxyessigsäure), Bromozynil, Triclopyr, Fenoprop, 2,4,5-T, 2,4-DB, Bentazon, Ioxynil < 0,50 μg/l < 0,50 μg/l < 0,50 μg/l 11

12 Spurenstoffelimination in Membranbelebungsanlagen und konventionellen Kläranlagen GKW Nordkanal GKW Köln-Stammheim MBA Nordkanal, Erftverband KA Düsseldorf-Süd KA Bessenich, Erftverband Elimination [%] Ibuprofen Diclofenac NTA EDTA Antirheumatika (Schmerzmittel) Komplexbildner 12

13 Verfahrenskonzepte zur Spurenstoffelimination (I) in Kläranlagen mit konventioneller Verfahrenstechnik PAK PAK R SF VK BB NK Ozonung Sandfilter (optional) R SF VK BB NK Ozonung (optional) Konvent. Filter mit Aktivkohle ( ) R SF VK BB NK Ozonung (optional) Aktivkohlefilter (GAK) (?) 13

14 Prinzip des Membranverfahrens Ablauf Belebung Rohlösung, Feed Überströmung Membran? Filtrat, Permeat 14

15 Verfahrenskonzepte zur Spurenstoffelimination (II) in konventionellen Kläranlagen mit nachgeschalteter Membranfiltration PAK PAK R SF VK BB NK MF PAK PAK R SF VK BB NK Ozonung MF R SF VK BB NK Ozonung MF GAK-Filter (optional) (?) 15

16 Verfahrenskonzepte zur Spurenstoffelimination (III) in Membranbelebungsanlagen R SF Feinsieb BB PAK MF R SF Feinsieb BB MF GAK-Filter R SF Feinsieb BB MF Ozonung GAK-Filter (?) R SF GAK-Filter Feinsieb BB MF Ozonung (?) 16

17 Auszug aus Forschungsprojekt MIKROMEM Spektraler Absorptionskoeffizient (Färbung) (Humine etc.) 0% 17 % 54 % 65 % 25 % 40 % 62 % 68 % 79 % 71 % 76 % 78 % 93 % 90 % 81 % 86 % 96 % 97 % 92 % 87 % Ergebnisse der Pilotanlage auf dem GKW Nordkanal ( MBR + PAK)

18 Fallbeispiel: KA Glessen (MBA) Wasserwerk Weiler Brunnen des Wasserwerks Weiler Stadt Stommeln Versickerungsbecken Stadt Köln Stadt Pulheim Kölner Randkanal Grundwasserfließrichtung Kläranlage Glessen Glessen Einzugsgebiet des Pulheimer Baches Pulheimer Bach Grosse Laache Feuchtgebiet Versickerung Bachwasser N

19 Kläranlage Glessen (neu) Lageplan Membranbelebungsanlage

20 Ausbau Kläranlage Glessen als MBA (9.000 EW) Anforderungen an die Einleitung ins Gewässer Alte Einleitung Neue Einleitung (ab 2008) BSB 5 CSB NH 4 N N ges P ges KBE 15 mg/l 90 mg/l 10 mg/l - 2,0 mg/l - BSB 5 CSB NH 4 N N ges P ges KBE < 3 mg/l < 30 mg/l < 1,5 mg/l < 10 mg/l < 0,6 mg/l < 100 ml EW EW

21 F&E: MBA mit Spurenstoffelimination Verfahrenskonzept Rechen Sand- u. Fettfang Feinsieb Belebung Membranfilter Aktivkohlefilter Umsetzung Großtechnische Versuchsanlage zur Spurenstoffelimination mit GAK auf der MBA Glessen des EV Planungskonzept für MBA Glessen (9.000 EW) Zufluss Rechen Vorreinigung Sandfang Sieb Belebungsbecken Rücklaufschlamm Membranfiltration Permeat Luft Förderung beantragt beim: Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW Pufferbecken (ehem. Nachklärung) Aktivkohleadsober Q TW GAK-Filter Q RW - Q TW 21 Gewässer

22 F&E Projekt: Spurenstoffelimination MBA Glessen Erkundung des Einsatzes granulierter Aktivkohle im Ablauf einer Membranbelebungsanlage Behandlung des mittleren Trockenwetterabflusses in zwei großtechnischen Festbettadsorbern Beantragte Laufzeit: 32 Monate Projektpartner: Erftverband, IWW Mülheim, Hydro-Ingenieure, Jacobi Carbon, RheinEnergie AG 22

23 F&E Projekt: Spurenstoffelimination MBA Glessen Ziele Ermittlung der optimalen Filtergeschwindigkeit und Aufenthaltszeiten zur Verringerung des CSB, PO 4 -P, sowie der Mikroschadstoffe Feststellung der Eliminationsrate für Spurenstoffe im Hinblick auf verschiedene Leitparameter (z. B. Diclofenac, Carbamazepin) Ermittlung Beladungskapazität des A-Kohlefilters für Parameter CSB und TOC Abschätzung der Lebenszykluskosten für die Verfahrenskombination MBA und GAK Auswirkung der zusätzlichen Reinigungsstufe auf die Wasserqualität und Biozönose im aufnehmenden Gewässer (Glessener Bach) 23

24 F&E Projekt: Spurenstoffelimination MBA Glessen Kosten des Projektes und Leistungen im Projekt Kosten / Leistung Pos. 1 Aufbau Station bis zur Funktionsfähigkeit Pos. 2 Wissenschaftliche Begleitung und Analysekosten Pos. 3 Probenanalysen auf der Kläranlage/im externen Labor (voraussichtlicher Analyseumfang) Pos. 4 Projektleitung/Fachtechnische Begleitung über Laufzeit Pos. 5 Gesamtbericht mit den Ergebnissen der optimalen Betriebsweise, Wirtschaftlichkeit Gesamtsumme ~ Beantragte Förderung Investition Förderung 80 % Wissenschaftliche Begleitung Förderung 100 % 24

25 Fazit und Ausblick Die Standzeiten der Ultrafiltrationsmembrane in Membranbelebungsanlagen betragen mehr als zwölf Jahre (MBA Nordkanal). Membranbelebungsanlagen zeigen im Dauerbetrieb (> 12 Jahre) durchgängig sehr gute Ablaufergebnisse und sind betriebssicher. Der Ablauf einer MBA mit Ultrafiltration unterschreitet die Grenzwerte der EG-Badegewässerrichtlinie bei weitem: Das Abwasser ist weitgehend hygienisiert und fast frei von Mikroplastik. Der spezifische Energieverbrauch der MBA Nordkanal konnte durch Optimierungen auf unter 0,60 kwh/ m³ gesenkt werden. Membranfiltriertes Abwasser eignet sich in besonderem Maße für den wirtschaftlicheren Betrieb nachgeschalteter Behandlungsstufen (z. B. mit Aktivkohle) zur Spurenstoffelimination. Der Erftverband bereitet ein F&E-Projekt zur Spurenstoffelimination auf der MBA Glessen mit nachgeschaltetem GAK-Filter vor. 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Membranbelebungsanlage Bergheim-Glessen,