Optimierung von Kläranlagen: Vom Versuch im halbtechnischen Maßstab zum Stand der Technik am Beispiel des Klärwerks Ulm/Neu-Ulm

Transkript

1 7. TAG DER LEHRE 22. NOVEMBER 2007 HOCHSCHULE BIBERACH Optimierung von Kläranlagen: Vom Versuch im halbtechnischen Maßstab zum Stand der Technik am Beispiel des Klärwerks Ulm/Neu-Ulm Helmut Kapp 1. Veranlassung und Ziele Der Zweckverband Klärwerk Steinhäule (ZVK), Ulm, dessen Verbandsklärwerk in Neu-Ulm das gereinigte Abwasser der Donau zuführt, beabsichtigte bereits in 2002, die organische Restverschmutzung des Abwassers weiter zu verringern und damit die Gewässerqualität der Donau zu verbessern. Ziel war es, durch eine geeignete Verfahrensweise eine dauerhafte Unterschreitung der organischen Restverschmutzung, gemessen als CSB, von 20 mg/l sicherzustellen. Hintergrund für die angestrebte Verbesserung der Abwasserreinigung war für den Verband neben dem ökologischen Aspekt ein betriebswirtschaftlicher Gesichtspunkt: Bei dauerhafter Unterschreitung des so genannten Schwellenwertes für den Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) von 20 mg/l im gereinigtem Abwasser entfällt die Zahlung der Abwasserabgabe für diesen Parameter. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass aufgrund der geringen partikulären Verschmutzung im Ablauf des Verbandklärwerkes allein durch den Rückhalt der abfiltrierbaren Stoffe dieses Ziel nicht erreicht werden kann. Deshalb musste eine Verfahrenstechnik zum Einsatz kommen, die gelöste Stoffe aus dem Abwasser entfernen kann. In der kommunalen Abwasserreinigung wird Aktivkohle zur Elimination von Farbstoffen der Textilveredelungsindustrie verwendet. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz von Pulveraktivkohle eine weitergehende Entnahme der organischen Restverschmutzung möglich ist. Diese Erkenntnis gab Anlass, durch ähnliche Verfahrensweise eine gezielt auf CSB-Elimination ausgerichtete Reinigungsstufe zu entwickeln, um die zum größten Teil in gelöster Form vorliegende Restverschmutzung weiter zu senken. Gleichzeitig wurde, durch die immer häufigeren Meldungen über das Vorkommen von organischen Mikroschadstoffen in Gewässern, geprüft, ob durch Anwendung der untersuchten Verfahrenstechnik die Möglichkeit besteht, Spurenschadstoffe wie Arzneimittelrückstände, endokrin wirksame Stoffe oder generell kritische Umweltchemikalien quantitativ aus dem Abwasser zu entfernen. Das Projekt wird seit 2003 vom Umweltministerium Baden-Württemberg gefördert, wobei der Zweckverband Klärwerk Steinhäule, Ulm, einen nennenswerten eigenen Beitrag leistet. 2. Methode Zur Untersuchung der Wirkung von Pulveraktivkohle wurde auf dem Klärwerk in Neu-Ulm eine halbtechnische Versuchsanlage errichtet. Das Verfahrens- 22

2 schema der Versuchsanlage ist in Abb. 1 dargestellt, Abb. 2 zeigt eine Ansicht der errichteten Anlage vor Ort. Die Anlage unterteilt sich in Straße A und Straße B. Straße A, in der die Aktivkohle eingesetzt wird, gliedert sich in eine biologische Stufe und eine nachgeschaltete Adsorptionsstufe, Straße B besteht aus einer konventionellen biologischen Reinigungsstufe und dient als Vergleichsanlage. Biologische Stufe Adsorptionsstufe Fällmittel- Aktivkohlelösung Flockungshilfsmittellösung suspension PN II PN III Belebungsbecken A Nachklärbecken A Kontakt- reaktor Sedimentationsbecken 1 PN I Vorlagebehälter Wasserweiche Straße A schlammentnahme Überschuss- 3 2 Überlauf Straße B Belebungsbecken B Nachklärbecken B PN IV Pumpe 1 Zulauf Vorlagebehälter 2 Zulauf Straße A und B 3 Rücklaufschlamm A 4 Fällmitteldosierung 5 Aktivkohledosierung 6 Flockungshilfsmitteldosierung 7 Rücklaufkohle 8 Überschusskohle 9 Rücklaufschlamm B Überschuss- schlammentnahme 9 Probenehmer PN I Zulauf II Ablauf Nachklärbecken A III Ablauf Sedimentationsbecken IV Ablauf Nachklärbecken B Abb. 1: Verfahrensschema der Versuchsanlage Die Untersuchungen erfolgten unter realen Bedingungen, das heißt mit realem Abwasser und bei unterschiedlichen Zuflüssen, wie im Großklärwerk Neu-Ulm, so dass die Untersuchungsergebnisse später auch auf den Großmaßstab übertragbar sind. 3. Projektpartner Neben dem Umweltministerium Baden-Württemberg als Projektförderer und dem Zweckverband Klärwerk Steinhäule als direkten Kooperationspartner erfolgte die Zusammenarbeit mit einer Vielzahl von Fachfirmen, Instituten bzw. Institutionen, u. a. mit dem Zweckverband Landeswasserversorgung, Wasserwerk Langenau, der Universität Stuttgart, dem Technologiezentrum Wasser (TZW) des DVGW in Karlsruhe, dem Bayerischen Landesamt für Umwelt in Wielenbach, aber auch mit Herstellern von Aktivkohle und anderen chemischen Hilfsmitteln, mit Firmen aus der Messgeräte- und Apparateindustrie, mit Herstellern von Pumpen und mit einem Großkonzern aus dem Pharmabereich. 23

3 Abb. 2: Ansicht der Versuchsanlagen 4. Ergebnisse Die Untersuchungen von Ulm haben gezeigt und bewiesen, dass mit vergleichsweise kleinem (auch finanziell kleinem) Aufwand, mit Hilfe von Pulveraktivkohle, eingesetzt in einer der biologischen Reinigung nachgeschalteten Adsorptionsstufe mit anschließender konventioneller Filteranlage, eine Fülle unterschiedlicher Stoffe aus dem Abwasser quantitativ entfernt werden kann und schließlich weitere Verbesserungen auch bei konventionellen Parametern zu erzielen sind: Der Einsatz von 10 bis 20 mg/l Aktivkohle führt zu einer zusätzlichen Entnahme des nach biologischer Behandlung verbleibenden (gelösten) CSB bzw. DOC von ca. 45 bis 65 Prozent. Unter Einbeziehung der Filteranlage verringert sich die organische Restverschmutzung von heute 5 bis 6 Prozent auf zukünftig 2 bis 2,5 Prozent. Der im gereinigten kommunalen Abwasser heute noch vorhandene AOX wird bei Anwendung der Aktivkohle etwa halbiert. Röntgenkontrastmittel als besonders persistente Stoffgruppe werden mit Hilfe der Adsorptionsstufe um etwa 70 bis 90 Prozent verringert. 24

4 Gegenüber den heute gegebenen Emissionen an Arzneimitteln in unsere Gewässer bewirkt die Zugabe von Pulveraktivkohle einen durchschnittlichen Rückgang um etwa 80 Prozent, bezogen auf die ca. 20 quantitativ bedeutendsten Arzneimittelrückstände. In Zusammenarbeit mit der pharmazeutischen Industrie ist es gelungen, den Nachweis zu führen, dass auch neuartige, z. T. noch nicht auf dem Markt befindliche Produkte mit ähnlich hohem Wirkungsgrad entfernt werden können. Es darf erwartet werden, dass weitere Umweltchemikalien durch die Adsorptionsstufe entnommen werden: So zeigten einzelne Messungen, dass organische P-Verbindungen, welche als Flammschutzmittel zum Einsatz kommen, durch die Adsorptionsstufe eine deutliche Reduzierung erfahren. Andere Problemstoffe wie Komplexbildner (EDTA) wurden dagegen nicht entnommen. Die hormonartige Wirkung des kommunalen Abwassers geht, gemessen am EEQ-Wert, um ca. 90 Prozent zurück. Selbst geringste Konzentrationen von Stoffen mit endokriner Wirkung haben bei Fischen in einer endlichen Zeit von nur 28 Tagen eine messbare Wirkung. Die Zugabe von Aktivkohle mindert diese Wirkung deutlich ab. Das Verfahren lässt erwarten, dass die Werte für P ges im Ablauf in und unter den Bereich des Schwellenwerts von 0,1 mg/l absinken. Die optimierte Adsorption mit anschließender Filteranlage lässt (im Fall Ulm) erwarten, dass die hygienische Beschaffenheit des Kläranlagenablaufs nicht wesentlich verschieden von derjenigen der Donau ist (coliforme Keime, E-Coli u. a.). Bei der Adsorption mit Aktivkohle als nicht-oxidativem Verfahren ist keine Metabolitenproblematik zu erwarten. Nach der Behandlung nicht mehr gefundene Abwasserinhaltsstoffe wurden tatsächlich entnommen (adsorbiert), ansonsten liegen sie unverändert vor. Man kann sich also sicher sein, dass die betreffenden Stoffe auch tatsächlich eliminiert und ggf. nicht nur verändert wurden. Die reinen Produkt- und Energiekosten des Verfahrens liegen bei lediglich ca. 2 Cent pro 1 Kubikmeter zu behandelndem Abwasser. 5. Umsetzung in die Praxis Das Umweltministerium Baden-Württemberg leitet aus den vorliegenden Untersuchungen und den überzeugenden Ergebnissen Handlungsbedarf ab. Bereits im Jahr 2006 hat sich die deutsche Umweltministerkonferenz eingehend mit dem Thema befasst und festgestellt, dass die Technologien zur Elimination von Spurenschadstoffen soweit vorangeschritten sind, dass die Verfahren in der Praxis erprobt werden können. Sie steht dem Einsatz einer weitergehenden Technik in Einzelfällen positiv gegenüber und legt Wert auf 25

5 die weitere wissenschaftliche Begleitung von Anlagen zur Elimination dieser Schadstoffe. Der Zweckverband Klärwerk Steinhäule, Ulm, hat in einer Verbandssitzung im Juni 2007 beschlossen, die Planung zum Ausbau bzw. zur Erweiterung in Angriff zu nehmen. 6. Wissenschaftlicher Profit Die Hochschule Biberach konnte im Zeitraum 2003 bis 2007 im Durchschnitt zwei wissenschaftliche Mitarbeiter in diesem Projekt beschäftigen. Zur Untersuchung von Detailproblemen wurden bisher insgesamt fünf Diplomarbeiten vergeben und erfolgreich abgeschlossen. Das große Interesse an den Untersuchungen in Ulm und an der Bedeutung der Ergebnisse dokumentiert sich in ca. 20 Fachveröffentlichungen und Vorträgen in einem Zeitraum von knapp vier Jahren. 7. Perspektiven Zur Optimierung des Verfahrens und zur Feinjustierung einzelner Verfahrensschritte wird das Projekt bis zum Frühjahr 2009 fortgesetzt. Die Hochschule Biberach testet ab Oktober 2007 im Auftrag der Stadt Karlsruhe das in Ulm untersuchte Verfahren auf dem Klärwerk Karlsruhe. Interesse von anderen Kommunen und Aufsichtsbehörden, aber auch aus der Schweiz lässt erwarten, dass das Verfahren kurz- bis mittelfristig in den Großmaßstab überführt wird. Kontakt Prof. Dr.-Ing. Helmut Kapp Institut für GEO & UMWELT Lehrgebiet Siedlungswasserwirtschaft Hochschule Biberach 26