ELIMINATION VON SPURENSTOFFEN DURCH DEZENTRALE ABWASSERBEHANDLUNG AN PUNKTQUELLEN AM BEISPIEL DES KREISKRANKENHAUSES WALDBRÖL

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1 Elimination von Spurenstoffen Dr.-Ing. Christian Mauer, Düsseldorf ELIMINATION VON SPURENSTOFFEN DURCH DEZENTRALE ABWASSERBEHANDLUNG AN PUNKTQUELLEN AM BEISPIEL DES KREISKRANKENHAUSES WALDBRÖL Dr.-Ing. Christian Mauer Hydro-Ingenieure GmbH, Düsseldorf Dr.-Ing. Christian Mauer Hydro-Ingenieure GmbH Stockkampstraße Düsseldorf Tel. 0211/ Fax: 0211/ Internet:

2 Elimination von Spurenstoffen durch dezentrale am Beispiel des Kreiskrankenhauses Waldbröl Präsentation 03. Juli 2013 Dr. Christian Mauer (Hydro-Ingenieure) Dr. Silvio Beier (TUHH vormals ISA der RWTH Aachen) Prof. Johannes Pinnekamp (ISA der RWTH Aachen) Klaus Alt (Hydro-Ingenieure) Agenda Einführung und Zielsetzung des Pilotprojekts KKH Waldbröl Verfahrensmöglichkeiten zur zentralen weitergehende Abwasserreinigung Krankenhausabwasser - Stand des Wissens Vorstellung des Pilotprojekts Regenwasserabkopplung MBR Weitergehende Reinigung Methodische Vorgehensweise, Ergebnisse und Diskussion Wassermengen und Standardparameter Bilanzierung der Arzneistofffrachten im Einzugsgebiet Energiebedarf und optimierung Kosten und Wirtschaftlichkeit Zusammenfassung und Ausblick

3 Zielsetzung des Pilotprojekts KKH Waldbröl Zusammenfassung der bislang bekannten Daten zu Abwasseranfall und -beschaffenheit in Krankenhäusern Entwicklung eines Verfahrenskonzepts für die separate Behandlung von Krankenhausabwasser Bestimmung des Beitrags von Krankenhäusern zum Eintrag von Arzneistoffen in die aquatische Umwelt Energetische Bilanzierung und Optimierung des Verfahrenskonzepts Aufstellung übertragbarer Kostenansätze für Anlagen zur separaten Krankenhausabwasserbehandlung und ökonomische Bewertung Einführung (aus Beier, 2010)

4 Krankenhausabwasser - Stand des Wissens Chemisch-physikalische Standardparameter Beispielhafte Aufteilung des Wasserverbrauchs innerhalb eines kleineren Krankenhauses (auf Basis von Daten aus Rebhan et al., 2002)

5 Herkunftsbereiche der CSB- NH 4 -N-, PO 4 -P- und AOX-Frachten im Universitätsklinikum Freiburg (nach Gartiser et al., 1998) Krankenhausabwasser - Stand des Wissens Arzneistoffkonzentrationen in µg/l

6 Krankenhausabwasser - Stand des Wissens Keimbelastung und Toxizität Keimbelastung Belastung mit Keimen und resistenten Keimen vergleichbar mit häuslichem Abwasser (Bendt et al., 2002; Kümmerer, 2009) Belastung mit multiresistenten Keimen deutlich höher als im kommunalen Abwasser (Chitnis et al., 2000) Krankenhausabwasser für multiresistente Bakterien Haupteintragspfad in die Umwelt (Bendt et al., 2002; Schwartz und Kohnen, 2007) Ohne funktionierende zentrale biologische Behandlung, die im Bedarfsfall durch Desinfektion ergänzt wird, wird eine separate Behandlung von Krankenhausabwasser empfohlen (WHO, 1999) Toxizität Akut toxische Effekte auf Leuchtbakterien, Daphnien und Algen nachgewiesen (Gartiser et al., 1996; Emmanuel et al. 2005) DNA-schädigende und mutagene Effekte mit umuc-test, SOS-Chromotest, Ames- Test und Hamsterzellentest nachgewiesen (Gartiser und Brinker, 1995; Hartmann et al., 1998; Jolibois und Guerbet, 2005, 2006) Gentoxisches Potenzial kann durch Behandlung vor Ort deutlich reduziert werden (Gupta et al., 2009) Pilotprojekt KKH Waldbröl Errichtung einer separaten Abwasserbehandlungsanlage für das Kreiskrankenhaus (KKH) Waldbröl KKH Waldbröl Akademisches Lehrkrankenhaus 342 Betten 800 Mitarbeiter Stationen Kardiologie/Hypertonie, Pulmologie, Onkologie/Palliativ, Gastroenterologie, Chirurgie, Radiologie, Frauenklinik, Intensivmedizin und Schmerzambulanz eigene Küche und Wäscherei (bis Aug 2008) Wasserverbrauch 2008: m³/a bzw. 322 L/(Bett d) Kläranlage Waldbröl-Brenzingen EW Ausbaugröße ( EW aktuelle Anlagenbelastung) angeschlossene natürliche Einwohner Konventionelle mechanisch-biologische Kläranlage mit nachgeschalteter Sandfiltration Jährliche behandelte Abwassermenge: ca. 2 Mio. m³/a

7 Pilotprojekt KKH Waldbröl - Verfahrenskonzept KKH Waldbröl RW SW RRB Waldbrölbach SW + RW Feinsieb Vorklärung Belebung Membranfiltration Ozonung (Maschenweite 1x10 mm, inkl. Waschpresse) (V = 21 m³, t R = 1 h) (V = 56 m³, TS = g/l) (V = 102 m³, 5 Module, max. Flux: 20 L/(m²h)) (max. 12,5 mg/l, t R = 15 min) Ozonung Regenwetterabschlag Entsorgung Rezirkulation Stadt Waldbröl Kläranlage Brenzingen Auslegung auf Basis Beier (2010) und Pinnekamp et al. (2009) Waldbrölbach Abkopplungsmaßnahmen am Krankenhaus sinnvoll abkoppelbar sind 0,7 ha Dach- und alle Parkplatzflächen Lageplan Abkopplung zu kostenintensiv Abkopplung technisch unmöglich Errichtung eines RRB erforderlich

8 Abkopplungsmaßnahmen am Krankenhaus Membranbelebungsanlage - Auslegungsdaten Zulaufdaten Q T,d = 124 m³/d Q max = 20 m³/h C BSB,Z = 350 mg/l C TS0,Z = 465 mg/l C TKN,Z = 70 mg/l 376 Betten 800 Mitarbeiter angestrebte mittlere Ablaufwerte weitgehende Vorreinigung für die nachfolgende weitergehende Behandlung C NH4 = 1,0 mg/l C NO3 = 12,0 mg/l (optional) C orgn = 1,0 mg/l gewähltes Verfahren Membranbelebungsverfahren mit intermittierender/vorgeschalteter Denitrifikation

9 Membranbelebungsanlage 2 Tauchmotorpumpen zur Beschickung Becken als Ortbetonbecken in Tieflage mechanische Vorreinigung Feinsiebanlage (Maschenweite 1x10 mm) und Waschpresse Vorklärung (V = 21 m³, t R,min = 1 h) Abluftbehandlung weitestgehende Entkeimung der anfallenden Abluft (mehrstufiges Verfahren mit Vorfiltration, UV- Bestrahlung, katalytische Oxidation und Ionisation) Membranbelebungsanlage Belebung TS-Gehalt g/l Belebungsvolumen V BB = 56 m³ Membranfiltration Bemessungsflux 12,5 l/(m²h) (ermöglicht Variabilität während Versuchsphase) 5 Plattenmembranmodule, Kubota EK 400 mit A = 320 m²/modul 2 Drehkolbengebläse (110 Nm³/h und 825 Nm³/h) 2 Drehkolbenpumpen zum Permeatabzug hochliegender Permeatbehälter (V = 7,5 m³) Chemikalienbehälter für Reinigung

10 Membranbelebungsanlage - Grundriss Membranbelebungsanlage - Fotos

11 Pilotanlagen für weitergehende Behandlung Eliminationsraten Pilotanlagen (nach Beier, 2010 und Schröder et al., 2010)

12 Ozonanlage In verschiedenen Toxizitäts- und Gentoxizitätstests keine Auffälligkeiten im Ablauf Ozonung Ozonung günstigstes Verfahren Ozonerzeugung aus Sauerstoff Sauerstofferzeugung vor Ort mit PSA-Anlage Ozoneintrag mit Injektorsystem Auslegung Max. 12,5 mg O3 /L (ca. 1,02 mg O3 /mg DOC ), Reaktionszeit 10 bis 15 Minuten Ozonanlage - Aufstellungsplan

13 Betriebsdaten Behandelte Wassermenge Q [m³/d] Q MBR = m³ Q Ab = 842 m³ QMBR QAbschlag Betriebsdaten CSB-Konzentrationen (Stichproben) CSB-Konzentration [mg/l] CSB Zulauf CSB Ablauf 1

14 Betriebsdaten TN b -Konzentrationen (Stichproben) TNb-Konzentration [mg/l] TNb Zulauf TNb Ablauf Methodische Vorgehensweise Bilanzierung der Arzneistofffrachten Betrachtete Arzneistoffe Diclofenac (DCF) Ibuprofen (IBU) Ciprofloxacin (CIP) Clarithromycin (CLA) Metronidazol (MET) Moxifloxacin (MOX) Carbamazepin (CBZ) Ermittlung der ausgegebenen Arzneistofffracht über Datenbank der Krankenhausapotheke Berechnung der ausgeschiedenen Arzneistofffracht über Ausscheidungsrate in Anlehnung an das Modell von Feldmann (2005) Frachtmessungen am Krankenhaus-MBR und der KA Waldbröl-Brenzingen in zwei einwöchigen Messkampagnen

15 Methodische Vorgehensweise - Bilanzierung der Arzneistofffrachten Über ausgegebene Arzneimittel berechnete Frachten Probeentnahmestelle für Frachtmessung zugehörige Mengenmessung Berechnung über Differenzbildung Ergebnisse Bilanzierung Frachtbilanz Diclofenac in Messkampagne 1

16 Ergebnisse Bilanzierung Frachtbilanz Clarithromycin in Messkampagne mg/d maximale Ausscheidung 3876 mg/d Ergebnisse Bilanzierung Frachtbilanz Ibuprofen in Messkampagne 1

17 Ergebnisse Bilanzierung Wiederfindungsraten im Ablauf des KKH Waldbröl Ergebnisse Bilanzierung Ergebnisübersicht

18 Ergebnisse Bilanzierung Arzneistoffelimination Ozonung (Mittel aus 2 Messungen) Konzentration [ng/l] Zulauf Ozonung Ablauf Ozonung Ergebnisse Bilanzierung Arzneistoffelimination Ozonung

19 Methodische Vorgehensweise Energiebedarf und -optimierung MBR Referenzzustand vor Optimierung (2,5 Monate) Ermittlung des Energiebedarfs vor Optimierung über den Wirkenergiezähler der Anlage Vorher chemische Reinigung der Membranmodule Optimierungsphase 1 (1 Monat) Anhebung des Filtrationsflusses zur Verkürzung der Laufzeit der Crossflow-Gebläse Anhebung des Einschaltpunktes der Filtration zur Minimierung von Vor- und Nachbelüftung Optimierungsphase 2 (1,5 Monate) Reduktion der Intensität der Crossflow-Belüftung Optimierungsphase 3 (1,5 Monate) Reduktion des Sauerstoffsollwerts im Belebungsbecken Bestimmung der Aufteilung des Energiebedarfs auf einzelne Verfahrensstufen Leistungs- bzw. Motorstrommessungen für einzelne Aggregate (Stützpunktkurven) Berechnung des Energiebedarfs über Betriebszeiten und Leistungsmessungen Ergebnisse Energieoptimierung MBR Energiebedarf [kwh/d] Referenzzustand y = 1,5963x + 320,4 R 2 = 0,934 Phase 2 y = 0,9530x + 337,5 R 2 = 0,714 Phase 1 y = 1,1561x + 335,7 R 2 = 0,988 Phase 3 y = 0,7795x + 380,0 R 2 = 0, Q [m³/d] vor Optimierung Optimierungsphase 1 Optimierungsphase 2 Optimierungsphase 3

20 Ergebnisse Energiebedarf MBR nach Optimierungsphase 2 Ergebnisse Energiebedarf nach Optimierungsphase 2 Energiebedarf [kwh/m³] y = 183,600x -0,7665 R 2 = 0,971 Energiebedarf MBR Energiebedarf MBR ohne Abluftbehandlung Energiebedarf MBR + Ozonanlage 1 y = 31,988x -0,5686 R 2 = 0,879 y = 92,413x -0,6703 R 2 = 0, Q [m³/d]

21 Methodische Vorgehensweise - Kosten und Wirtschaftlichkeit Investitionskosten Umrechnung in jährliche Kapitalkosten gemäß Vorgaben der LAWA (2005) Bereinigung um nicht übertragbare Anteile (Kosten für Regenwasserabkopplung) Betriebskosten Berücksichtigung der Kosten für Betriebsführungsvertrag (Wartung, Entsorgung, Membranersatz) Berechnung der Energiekosten auf Basis des Energiebedarfs und Kosten von 0,143 /kwh Übertragung der spezifischen Gesamtkosten auf andere Krankenhausgrößen auf Basis von Literaturdaten für kleine kommunale MBR (Lüdicke et al., 2009) 69%ige Erhöhung spez. Gesamtkosten bei um Faktor 4 geringerer Auslegungsgröße Wirtschaftlichkeit im Vergleich mit der zentralen Abwasserbehandlung Bei zentraler Behandlung nur Betrachtung der Ozonung mit Kosten gem. Abegglen et al. (2009) Berücksichtigung arzneistoffspezifischer Behandlungskosten Bei vergleichbaren Eliminationsraten kann Wirtschaftlichkeit über Konzentrationsverhältnisse ermittelt werden JK JK KH KA C C AS, KH AS, KA Ergebnisse - Spezifische Gesamtkosten für die Abwasserbehandlung am KKH

22 Ergebnisse - Spezifische Gesamtkosten in Abhängigkeit der Bettenzahl Pills-Projekt 580 Betten, 240 m³/d 5,30 /m³ Zentrale weitergehende Abwasserreinigung - Kosten (aus Mertsch et al., 2013)

23 Ergebnisse - Erforderliches Konzentrationsverhältnis für eine wirtschaftliche separate Krankenhausabwasserbehandlung Erforderliches Konzentrationsverhältnis CAS,KH/CAS,KA Bettenzahl Krankenhaus [BZ] Ausbaugröße kommunale KA [EW] Gemessene Konzentrationsverhältnisse C AS,KH /C AS,KA 1. MK 2. MK Diclofenac 3 4 Ibuprofen 1 4 Ciprofloxacin 7 29 Clarithromycin Metronidazol Moxifloxacin Carbamazepin 2 1 Erf. C AS,KH /C AS,KA Zusammenfassung Der Beitrag des KKH zur Gesamtemission im Einzugsgebiet Waldbröl erreicht für Antibiotika Werte von 20% bis 90% und liegt für andere Arzneistoffe unter 10%. Der MBR am KKH liefert bei hohem Schlammalter und höheren Eingangskonzentrationen für Antibiotika deutlich bessere Eliminationsraten als die biologische Behandlung auf der kommunalen Kläranlage. Die Kombination von MBR und nachgeschalteter Ozonung benötigt nach der Optimierung ca. 5,0 kwh/m³ el. Energie (ca. 80% MBR und 20% Ozonung inkl. O 2 -Erzeugung, weitere Optimierung möglich) kostet zwischen 3 /m³ bei mehr als Betten und ca. 8 /m³ bei weniger als 100 Betten ist bei ca. 40fach höheren Konzentrationen im Krankenhausabwasser für einzelne Arzneistoffe wirtschaftlicher als eine zentrale weitergehende Abwasserreinigung.

24 Zusammenfassung Auswirkung anderer örtlicher Gegebenheiten auf die spezifischen Gesamtkosten Minimierung und Hygienisierung des anfallenden Klärschlamms Umweltrelevanz der überwiegend aus Krankenhäusern entstammenden Arzneistoffe (Antibiotika) Alternative Lösungen im Umgang mit Röntgenkontrastmitteln Verhalten von resistenten Keimen im MBR Abbauprodukte aus Oxidation (Identifikation, Toxizität, Mutagenität etc.) Einfluss von krankenhausbeeinflussten Mischwasserentlastungen auf die aquatische Umwelt Danke für die Aufmerksamkeit Ein herzliches Dankeschön an das Kreiskrankenhaus Waldbröl, den Aggerverband, das ISA und das Labor sowie alle anderen Projektbeteiligten für die großartige Zusammenarbeit und an das MKULNV für die Projektförderung!

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hydro-Ingenieure Planungsgesellschaft für Siedlungswasserwirtschaft mbh Stockkampstraße Düsseldorf

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