Einsatz der Verfahrenstechnik Aktivkohle

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1 1 Einsatz der Verfahrenstechnik Aktivkohle Maßnahmenprogramm WRRL 2015 und Mikroschadstoffreduzierung Workshop Bezirksregierung Münster Andreas Nahrstedt und Klaus Alt

2 Gliederung Grundlagen Aktivkohle Verfahrensvarianten realisierte Prozesse auf KA Anlagentechnik, Adaption Exemplarische Ergebnisse 2

3 Verfahrensziele der Adsorption 3 Ziele bei der Wasseraufbereitung Elimination konkreter organischer Spurenstoffe Elimination von Summen- und Gruppenparametern Elimination von Geruch und Geschmack bildenden sowie farbgebenden Stoffen Elimination der Vorläufersubstanzen von Desinfektionsnebenprodukten Biologische Stabilisierung Abbau von Ozon, Chlor, Chloraminen... Abwassertechnik

4 4 Aktivkohle-Produkte Vielzahl an Rohstoffen und deren Lagerstätten: Holz, Torf, Anthrazit, Steinkohle, Braunkohle, (Lignite) Kokosnussschalen, Olivenkerne, synthetische Polymere

5 5 Aktivkohle-Produkte Herstellungswege: Verkokung Wasserdampfaktivierung org. Rohstoff Koks GAK pulverförmige AK (PAK)

6 6 Aktivkohle-Produkte Aktivierung und Reaktivierung: Drehrohrofen mit C zur Wasserdampfaktivierung

7 7 Aktivkohle-Produkte Rohstoff und Herstellung nehmen wesentlich Einfluss auf unterschiedliche Porenstruktur und adsorptive Eigenschaften: Makroporen Mesoporen Mikroporen (Nanometer) Quelle: Fa. Jacobi

8 Verfahrensvarianten 8 Batch-Prozesse (PAK) Festbettprozesse (GAK, ggf. PAK) Gegenstrom Aktivkohle Watte Gleichstrom Zeit, Fließweg

9 Verfahrensvarianten 9 Festbettprozesse (GAK) im Gegenstrom Zustrombereich: Gleichgewicht mit Zulaufkonz. für hohe GAK-Beladung Filtratbereich: durch gering beladene GAK hohe Filtratqualität Konkurrenzeffekte z 1 c c o c o c o c o c o c(t) c(t) c(t) c(t) c(t) Parallelschaltung sichert Qualität Sammelfiltrat c/c o 0,5 0 V = v A = const. F Filterlaufzeit t F

10 Verfahrensvarianten Festbettprozesse: Verwendungspfad der GAK Einbringung in Filter Adsorptionsbetrieb Ausbau aus Filter Reaktivierung Gasreinigung! 10

11 11 Verfahrensvarianten 1. Festbettprozesse mit granulierter Aktivkohle GAK - KA Düren-Merken - KA Obere Lutter - KA Gütersloh-Putzhagen - KA Wuppertal-Buchenhofen - KA Bad Oeynhausen - KA Harsewinkel - KA Köln-Rodenkirchen

12 Prozesse: Applikationsformen 2. Festbettprozesse mit PAK-Einlagerung (Gegenstrom): Pulverkohleeinlagerung im Tiefenfilter: - KA Wuppertal-Buchenhofen - KA Gelsenkirchen Marienhospital Pulverkohleeinlagerung mit Membranverfahren Pilotierungen: - KA Moers-Gerdt - KA Frechen Anschwemmfiltration auf/im Precoat 12

13 Prozesse: Applikationsformen Batch-Prozesse mit PAK-Kontakt und Abtrennstufe(n) (Pulverkohledosierung in Kontaktbecken hinter Nachklärung) - KA Schwerte - KA Dülmen - KA Harsewinkel - KA Düsseldorf-Süd (halbtechn.) - KA Lage - KA Steinhäule Ulm - KA Mannheim - KA Böblingen Sindelfingen - KA Kressbronn-Langenargen - KA Stockacher Ach - KA Espasingen - KA Ravensburg - KA Albstadt-Ebingen - KA Lautlingen - KA Hechingen (- KA Neuss-Süd) (- KA Lahr) (- KA Karlsruhe) (- KA Stuttgart)

14 Gliederung Grundlagen Aktivkohle Verfahrensvarianten realisierte Prozesse auf KA Praktische Lösungen, Adaption Exemplarische Ergebnisse 14

15 15 Planungsaspekte bei Spurenstoffprojekten Jede Kläranlage ist und bleibt individuell (Abwasser und Aufbau) Screening-Messreihen zu Beginn Grundlagenermittlung / energieoptimierte Planung von Interesse Alle Lösungskonzepte sollten geprüft werden Pilotierung prüfen bzw. empfehlen Spurenstoffelimination beginnt mit der Nachklärung

16 16 AdOx Köln Beschreibung des Projekts Umrüstung der Kölner BIOFOR-Flockungsfilter zur Spurenstoffelimination Flockungsfiltration Fa. Philipp Müller Baujahr 1992: Aufwärts durchströmte Filterzellen GKW Stammheim Filtrationsstufe (GKW Stammheim) Versuche im halbtechnischen und großtechnischen Maßstab auf dem KW Rodenkirchen

17 17 AdOx Köln Beschreibung des Klärwerks Rodenkirchen Adaptbauwerk Ausbaugröße: EW Trockenwetterzufluss 175 l/s Regenwetterzufluss 579 l/s Mechanische Reinigungsstufe 2 straßige Belebungsanlage 3 Nachklärbecken (2 mit Adaptbauwerken) Flockungsfiltration Schlammfaulung und maschinelle Entwässerung

18 18 AdOx Köln, KA Rodenkirchen Nachklärung mit Adaptbauwerken 2 von 3 Nachklärbecken mit Adaptbauwerken ausgerüstet Höhenvariables Einlaufbauwerk Anpassen der Höhenlage und Öffnungsweite an die schwankenden Zulaufbelastungen AFS-Konzentration im Ablauf NK < 5 mg/l (im Mittel)

19 AdOx Köln, Rodenkirchen 19 Umrüstung zur Spurenstoffelimination Behandlung eines Teilstroms (max. TW-Zufluss 175 l/s) Vergleich unterschiedlicher Verfahren zur Spurenstoffelimination: Ozonung Filtration mit granulierter Aktivkohle (Biofor-Referenzfilter) Paralleler Betrieb aller 3 Verfahren unter gleichen Randbedingungen direkter Vergleich möglich Eliminationsleistung Betriebs- und Investitionskosten Energieverbrauch betriebliche Aspekte Übertrag der Ergebnisse auf GKW Stammheim und andere Kölner Klärwerke

20 20 Kläranlage Buchenhofen Beschreibung des Klärwerks Ausbaugröße EW Trockenwetterzufluss l/s Regenwetterzufluss l/s Mechanische Reinigungsstufe 6-straßige Belebungsanlage mit 9 Nachklärbecken Flockungsfiltration Schlammfaulung und maschinelle Entwässerung Mono-SVA Flockungsfiltration Projektbeteiligte:

21 21 Kläranlage Buchenhofen F+E-Vorhaben Filter AK+ Behandlung eines Teilstroms (max. 200 l/s) Vergleich unterschiedlicher Verfahren zur Spurenstoffelimination bei Flockungsfiltrationsanlagen PAK-Dosierung in den Überstau ( Projekt MIKROFlock) 1 Einstufige GAK-Filtration Ablauf NKB Zweistufige Filtration mit Partikelelimination über Hydroanthrazit/Sand-Filter und Adsorption über GAK-Filter PAK FM FHM Rückspülwasser mit beladener PAK Versuchsfilter GAK Referenzfilter 1 Kammer Versuchsfilter GAK Versuchsfilter PAK Wupper Zulauf KA Vorklärung Biologie Schlammbehandlung 1-5 Probenahmestelle

22 Kläranlage Bad Oeynhausen Beschreibung der Kläranlage Ausbaugröße EW Trockenwetter 308 l/s Mischwasser 616 l/s mech. Reinigungsstufe Belebungsanlage mit 12 Nachklärbecken Flockungsfiltration Schlammfaulung Nachklärbecken Filter Belebungsbecken 22

23 23 Kläranlage Bad Oeynhausen Umrüstung zur Spurenstoffelimination Pilotversuch zur Umrüstung von einer Filterkammer zum GAK-Filter (später 3 Filter) Behandlung eines Teilstroms (max. TW-Zufluss 200 l/s) Bestandsaufnahme + Schwachstellenanalyse Filter, Spülbild, Düsenboden, Düsen Sanierung der bestehenden Flockungsfiltration (5 von derzeit 8 Filtern) u. a.: Neuer Filterdüsenboden ca. 60 Düsen/m² Auftriebssicherung Düsenboden Spülluftverteilung Bedarfsgerechte Auslegung der Zulauf- und Rückspülpumpen sowie Spülluftgebläse

24 Kläranlage Emschermündung, Technikum Verfahrenskonzept 24 Konventionelle Abwasserreinigung Innovative Verfahren Optionale Nachbehandlung bei Dotierungsversuchen KLEM In NF-Anlage intergrierte UO-Anlage Überlaufleitung zum KLEM für nicht benötigte Abwassermengen QNF= 1,1-2,2 l/s NF Permeat NF (ca. 75%= 0,825 l/s) Konzentrat NF? (ca. 25% von Q NF = 0,275 l/s= rd. 1,0 m³/h) Konzentratentsorgung? (ca. 25%) MSF Vorlage I QOZ= 1,1-2,2 l/s Ozon OZ QGAC= 1,1-2,2 l/s Reaktionsbehälter Vorlage UO UO Permeat (ca. 75%) Hauptklärwerk GAK GAC GAK GAC QPAC= 1,1-2,2 l/s PAK PAC OPTION Reaktionsbehälter Sedimenter Optionale Dosierung in die Belebung OPTION Ablauf im Freigefälle? MSF QUO= 1,1-2,2 l/s PAC-Rezi PAC-Schlamm zum KLEM/Faulturm oder Entsorgung?

25 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration Kläranlage Dülmen 25

26 26 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltrat. KA Dülmen - Screening Tiberbach Dülmen KA Dülmen Kaskadiertes Messprogramm Messung vor und hinter der Kläranlage Bestimmung relevanter Parameter Sedimentbewohner werden mit Stressmarkern beobachtet Biologische Bewertung Tiberbach

27 27 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration KA Dülmen Auslegung der Anlage auf 200 l/s Trockenwetterabfluss Investition 4,0 Mio. (Förderquote > 90 %) Umbau von zwei Filterkammern 330 m³ Bau eines Sedimentationsbeckens m³ Nutzung des vorhandenen Sandfilters

28 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration KA Dülmen 28 Rechen Sandfang Vorklärung Aktivkohlesilo Sedimentation Belebung Nutzung Sandfilter Kontaktbecken Nachklärung

29 AOL Gütersloh KA-Ausbau EW Anschluss EW Umbau von 3 Zellen der BIOFOR-Flockungsfiltration (Aufstrom) Zulauf Adsorber fast frei von AFS, da zuvor Festbett-Denitrifikation Kontinuierlicher und intermittierender Betrieb (Mo Fr) Filtrationsgeschwindigkeit konstant (2 m/h) und variabl (3 8 m/h) Pilot-Kleinfiltersäule Frischkohle / Reaktivat 29

30 AOL Gütersloh 30

31 31 AOL Gütersloh Filterzulauf AquaSorb 5000 Reaktivat, v_f = 2 m/h AquaSorb 5000 Frischkohle, v_f = 2 m/h AquaSorb 5000 Frischkohle, v_f = dynamisch 70 CSB [mg/l] Betthöhe = 2,5 m Betrieb: Montag Freitag

32 32 AOL Gütersloh Mittlere Elimination über gesamte Adsorberlaufzeit [%] 100% 80% 60% 40% 20% v f = 2 m/h Betthöhe = 2,5 m AquaSorb 5000 Laufzeit: 14,7 Monate im Zulauf n.n. 0% EDTA Gadolinium CSB TOC Amidotrizoesäure Iomeprol Ibuprofen NTA DTPA TMDD Iopamidol 1-H-Benzotriazol Carbamazepin Methyl-1-H-Benzotriazole Diclofenac Sulfolan Metoprolol Naproxen Bezafibrat Sotalol Iopromid PFBS PFOS Nahrstedt 2012

33 Fazit 33 Spurenstoffdiskussion und Kostendruck verlangen nach effektiven und effizienten Aufbereitungsverfahren Trotz vielfältiger Modellierungsansätze für Aktivkohle- Prozesse ist Aussagekraft von Laboruntersuchungen für die Praxis nicht ausreichend Pilotierung und konsequentes Monitoring großtechnischer Prozesse (inklusive Einfluss der Reaktivierung) sind unerlässlich Kosten-/Verfahrensbewertung nur unter vergleichbaren Randbedingungen aussagekräftig

34 Adsorption Adsorption vs. Absorption adsorbere (lat.): ansaugen absorbere (lat.): einsaugen