54. Einsatz von granulierter Aktivkohle auf der Kläranlage

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1 54. Einsatz von granulierter Aktivkohle auf der Kläranlage Düren Frank Benstöm, Aachen Thomas Rolfs, Hermann Stepkes, Düren David Montag, Johannes Pinnekamp, Aachen Einleitung und Zielstellung Seit einigen Jahren ist die Existenz von Spurenstoffen in den Abläufen kommunaler Kläranlagen mehr und mehr ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt. Vor diesem Hintergrund wird der Einsatz von Aktivkohle derzeit einer erneuten Bewertung hinsichtlich erzielbarer Eliminationsleistungen und Wirtschaftlichkeit unterzogen. Neben dem Effekt der Spurenstoffelimination ist eine Verringerung des CSB im Ablauf unter den Schwellenwert des Abwasserabgabengesetztes (20 mg/l) ein Anreiz, den Einsatz von Aktivkohle in der Abwasserreinigung zu untersuchen. Sinnvoll kann es dabei sein, die Synergien von granulierter Aktivkohle (GAK) mit den vorhandenen Bauwerken z. B. Flockungsfilter zu nutzen. GEWÄSSERSCHUTZ - WASSER - ABWASSER, Aachen 2012, ISBN Bereits in den 1960er Jahren wurde in Amerika und Südafrika kommunales Abwasser zur CSB-Elimination über granulierte Aktivkohle (GAK) gefiltert (KIENLE und BÄ- DER, 1979). In Deutschland führte z. B. WICHMANN (1979) Versuche zur weitergehenden Abwasserreinigung mittels GAK durch. Die Filtration von kommunalem Abwasser über GAK hat sich jedoch bis heute in Deutschland nicht durchgesetzt, da die bisherigen Anforderungen an die Ablaufwerte in der Regel auch ohne Adsorptionsfiltration erreicht werden konnten. Halb- und großtechnische Versuche mit Fokus auch oder insbesondere auf Spurenstoffelimination in Deutschland und den Niederlanden wurden bislang u. a. von FAHLENKAMP et al. (2008), NOWOTNY (2008), STOWA (2009a), STOWA (2009b), ALT und BARNSCHEIDT (2012) und KNOPP (2012) durchgeführt. Das auf der Kläranlage Düren-Merken zu behandelnde Abwasser ist stark durch die im Einzugsbereich der Kläranlagen Düren ansässige Industrie geprägt und hat im Ablauf der Filtration noch einen relativ hohen Rest-CSB. Bis Ende 2012 werden vor Ort großtechnische Versuche mit GAK durchgeführt, um diesen CSB weiter zu reduzieren und Erfahrungen im Umgang mit GAK unter den gegebenen Betriebsbedingungen zu gewinnen. Dazu wurde in einer der zwölf Filterzellen das vorhandene Filtermaterial gegen GAK ausgetauscht. Ebenso wird im Rahmen des vom Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen geförderten Forschungsvorhabens MIKROFLOCK Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen insbesondere kommunaler Flockungsfiltrationsanlagen durch den Einsatz von Aktivkohle die Eliminationsleistung dieser GAK-Filterzelle im Hinblick auf verschiedene Spu-

2 - 54 / 2 - renstoffe betrachtet. Diese Ergebnisse sind jedoch nicht Gegenstand der folgenden Ausführungen. Theoretische Grundlagen Die Verwendung von GAK hat optimale Randbedingungen wie z. B. zur Verfügung stehende Kontaktzeit vorausgesetzt gegenüber pulverisierter Aktivkohle (PAK) folgende, prinzipbedingte Vorteile (SONTHEIMER et al., 1988): Erreichung höherer spezifischer Beladungen Regeneration möglich Geringerer Verfahrenstechnischer Aufwand Zudem ist kein zusätzlicher Einsatz von Fällungs- / Flockungsmitteln erforderlich. Eine Parallelschaltung von GAK-Filtern führt zu einer deutlich besseren Ausnutzung der verwendeten GAK und damit zu einer längeren durchschnittlichen Standzeit, sofern immer die höchstbeladene GAK gegen unbeladene GAK ausgetauscht wird (SONTHEIMER et al., 1988). Dieses Vorgehen liegt darin begründet, dass durch den sukzessiven Austausch der GAK ein Teil der Filter immer unterhalb des geforderten Ablaufgrenzwertes betrieben wird. Da jedoch nur die Mischung aus allen Filterabläufen den geforderten Grenzwert unterschreiten muss, kann so ein Teil der Filterzellen oberhalb des zulässigen Grenzwerts betrieben werden. Damit kann eine maximale Beladung der GAK bei gleichzeitiger Einhaltung des geforderten Grenzwertes erreicht werden. ROBERTS und SUMMERS (1982) konnten durch Integration einer gemessenen TOC-Durchbruchskurve zeigen, dass durch Verwendung von 10 parallel geschalteten Filtern die durchschnittliche Standzeit gegenüber einem Einzelfilter verdoppelt werden kann. Eine direkte Übertragung der aus dem Betrieb eines Einzelfilters ermittelten Durchbruchskurven auf den in der Regel auf Großanlagen vorzufindenden Parallelbetrieb von Filtern ist somit nicht zulässig. Vielmehr muss basierend auf den ermittelten Durchbruchskurven und der späteren Anzahl der Filter im Parallelbetrieb eine Umrechnung erfolgen. Zur Verwendung von GAK auf kommunalen Kläranlagen können der Nachklärung entweder Druckkessel- oder Schwerkraftfilter nachgeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bereits bestehende Flockungsfilter durch Austausch des vorhandenen Filtermaterials durch GAK zur Kohlenstoff- und Spurenstoffelimination umzurüsten. Dadurch könnten Investitionskosten für neue Filter eingespart werden. In NRW ist dieser Ansatz von besonderem Interesse, da bezogen auf die Anschlussgröße ca. 60 % der deutschen Flockungsfilter in NRW betrieben werden (SCHRÖ- DER, 1998). Aktuell sind 87 Flockungsfilteranlagen auf den Kläranlagen in NRW in Betrieb (LANUV, 2012). Die für die Umrüstung in Frage kommende GAK-Körnung für abwärts durchströmte Filter muss insbesondere 2 Kriterien erfüllen: weiterhin gute Feststoffelimination (nicht-lösliche Stoffe) gute Kohlenstoff- und Spurenstoff-Elimination (lösliche Stoffe)

3 - 54 / 3 - Zur Feststoffelimination werden bei der klassischen abwärtsgerichteten Abwasserfiltration in offenen, drucklosen Filterzellen zumeist zwei Filterschichten unterschiedlicher Dichte verwendet. Um ein tiefes Eindringen der zu entfernenden Partikel in das Filterbett zu ermöglichen und damit die Filterkapazität bis zur nächsten Rückspülung optimal zu nutzen, wird eine grobe Körnung für die obere Filterschicht (z. B. Blähschiefer oder Hydroanthrazit) verwendet. Die darunter liegende Schicht feinerer Körnung (z. B. Sand) gewährleistet dann die Entfernung der Restverschmutzungen, die sich durch die gröbere Filtermaterialschicht nicht entfernen ließen. Zur reinen Kohlenstoff- und Spurenstoffelimination ist hingegen eine GAK als Filterschicht mit möglichst feiner Körnung vorteilhaft, da so die Kontaktoberfläche zur Adsorption der gelösten Stoffe maximiert wird. Bei (zu) feiner Körnung können die zusätzlich zu entfernenden Feststoffpartikel jedoch nicht sehr tief ins Filterbett eindringen. Das führt zu einer verstärkten Oberflächenfiltration und damit zu einer häufigeren Rückspülung aufgrund von zu hohen Druckverlusten im Filter. Die Auswahl der GAK-Körnung zur Umrüstung eines abwärts durchströmten Filters von der ursprünglich reinen Feststoffelimination auf zusätzliche Kohlenstoff- und Spurenstoffelimination stellt somit einen Kompromiss zwischen o. g. Punkten dar. Material und Methoden Abwasserfiltration auf der KA Düren Die Ausbaugröße der Kläranlage Düren-Merken des Wasserverbands Eifel Rur (WVER) beträgt E. Das Abwasser ist durch industrielle Einleiter geprägt, die einen bedeutenden Teil zur organischen Belastung beitragen. Seit 1992 wird auf der Kläranlage Düren ein Mehrschicht-Flockungsfilter betrieben, der eine weitergehende Feststoffentnahme hinter der Nachklärung bewirkt. Es handelt sich hierbei um zwölf abwärts durchströmte, offene Betonfilterzellen mit einer Fläche von jeweils 37,5 m². Die Abführung des Schlammwassers der Rückspülung erfolgt über eine einseitig angeordnete Spülrinne. Die Filterschichten setzten sich gemäß Planungsunterlagen aus dem Jahr 1992 von oben nach unten aus Blähschiefer (1,4 2,5 mm; h = 1,2 m) und Sand (0,71 1,25 mm; h = 0,5 m) zusammen. Unterhalb der eigentlichen Filterschichten befinden sich zwei Kiesschichten (jeweils 0,1 m mit 3,15 5,6 mm bzw. 5,6 8 mm), die das Filterbett tragen (Stützschicht). Der Filter ist für einen maximalen Durchsatz von m³/h ausgelegt. Die automatische Steuerung des Filters über das Prozessleitsystem (PLS) genügt folgenden Kriterien: Alle Filterzellen haben die gleiche Überstauhöhe, da sie über ein gemeinsames Zulaufgerinne nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren mit Rohwasser versorgt werden. Der Durchfluss wird bei allen beschickten Filterzellen auf den gleichen Wert über einen separaten Schieber im Ablaufrohr jeder Filterzelle geregelt.

4 - 54 / 4 - Bei Unterschreitung des Durchsatzes von 200 m³/h pro Filterzelle durch geringen Filterzulauf werden solange einzelne Filterzellen außer Betrieb gesetzt, bis der Durchsatz je Filterzelle den Wert von 200 m³/h stabil überschreitet. Bei Überschreitung des Durchsatzes von 300 m³/h pro Filterzelle durch erhöhten Filterzulauf werden sukzessive außer Betrieb genommene Filterzellen wieder in Betrieb genommen. Wenn bereits alle Filterzellen in Betrieb genommen sind, wird der Durchfluss der Filterzellen durch Öffnen der Ablaufschieber so lange gesteigert, bis maximal m³/h über den Filter abgeführt werden können. Nach einer gewissen Laufzeit müssen die Filterzellen zur Entfernung der in ihnen abgeschiedenen Feststoffe und damit zur Wiederherstellung der Filterleistung rückgespült werden. Dazu wird die zu spülende Filterzelle mittels Schieber vom Zulaufgerinne getrennt. Das in der Filterzelle vorhandene Wasser wird abfiltriert bis sich der Überstau unterhalb der Spülrinne bzw. kurz oberhalb des Filtermaterials befindet. Die Spülung erfolgt zunächst mit Luft zum Aufbrechen der Verblockungen und anschließend mit Wasser zum Austrag der Verschmutzungen über die Spülrinne, die sich an einer Seite einer jeden Filterzelle befindet. Ausgelöst wird die Filterspülung, sobald eines der folgenden Kriterien erfüllt wird: Zeitkriterium: Filtrationszeit länger als 16 h Mengenkriterium: Filtrierte Menge größer als m³ Druckkriterium: Da der Druckabfall im Filterbett auch von der Filtrationsgeschwindigkeit abhängig ist, bildet das Leitsystem den Quotienten aus Differenzdruck im Filterbett und aktueller Filtrationsgeschwindigkeit, den sogenannten Verschmutzungsgrad. Dieser darf 0,5 mbar/m³h -1 nicht überschreiten. Der Flockungsfilter wurde ursprünglich zum kontinuierlichen Betrieb mit dem Fäll-/ Flockungsmittel Eisen-(III)-Chlorid vorgesehen. Inzwischen ist jedoch aufgrund der Abwasserzusammensetzung eine reguläre Eisen-Dosierung nicht erforderlich, um die geforderten Grenzwerte einzuhalten. Messstellen und Analytik Für die Versuche wurden zwei der insgesamt zwölf baugleichen Filterzellen aufgrund ihrer guten Zugänglichkeit ausgewählt. Eine Zelle wird als Referenz-Filterzelle betrieben und erhielt dazu die gleiche Mess- und Probenahmetechnik wie die GAK- Filterzelle (Bild 1 und Tabelle 1). Für die Analytik der hier untersuchten elf unterschiedlichen Spurenstoffe, die zuvor projektübergreifend festgelegt wurden, wurden Probennehmer an den Messstellen MF1, MF2 und MF3 installiert. Diese entnehmen 2 x je Woche eine zeitproportionale 24 h-mischprobe. Eine dieser Proben wird direkt in die Spurenstoffanalytik des Umweltanalytischen Laboratoriums des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen (ISA) gegeben, die andere Probe als Rückstellprobe (tiefgekühlt auf gefriergetrockneter SPE-Kartusche) zur ggf. späteren Analyse eingelagert.

5 - 54 / 5 - Bild 1: Tabelle 1: Lage der Messstellen für GAK- und Referenz-Filterzelle Analysenplan Messstellen Parameter Einheit Verfahren MF1 (Zulauf) MF2 und MF3 (Filtrate) MR2 - MR3 Rückspülwasser MM2 - MM3 Filtermaterial Spurenstoffe* ng/l 24h-Mischprobe (ISA-Labor) AFS mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor) Trübung NTU Online DOC mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor) CSB filt mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor) CSB hom mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor) Gesamt-P mg/l 24h-Mischprobe (WVER-labor) Reinwassermenge m³ Online Spülwassermenge m³ Online Filterbetthöhe nach Spülung m Lotung Glühverlust - Entnahme mit Sauger in 5 verschiedenen Tiefen Sieblinie - Entnahme mit Sauger in 5 verschiedenen Tiefen * Carbamazepin, Diclofenac, Metroprolol, Sulfamethoxazol, Benzotriazol, Amidotrizoesäure, Bisphenol A, PFT (PFOS und PFOA), TCPP und EDTA Zudem werden Standardabwasserparameter gemäß Tabelle 1 vom WVER-Labor analysiert. An den Messstellen MF1 bis MF3 wurde zudem je eine Multispektrometersonde installiert, die DOC, CSB filt, CSB hom und AFS online misst. Die Trübung wird kontinuierlich nach dem IR-Streuchlichtverfahren mit Onlinesonden dokumentiert.

6 - 54 / 6 - Über das Leitsystem werden weiterhin die Volumenströme an MF1 bis MF3 sowie die des Rückspülwassers MR2 und MR3 aufgezeichnet. Außerdem werden Filtermaterialproben mit Hilfe eines Saugers in Anlehnung an LENS (2011) entnommen und zur Glühverlust- und Sieblinienbestimmung herangezogen (MM2 und MM3), um die Schichtung des Filtermaterials sowie mögliche Änderungen über die Betriebszeit zu dokumentieren. Umrüstung einer Filterzelle auf GAK Anfang Juni 2011 wurde eine der zwölf Filterzellen auf GAK umgerüstet. Dazu wurde das bisherige Filtermaterial soweit mittels eines Saugfahrzeugs entfernt, dass neben der ursprünglichen Stützschicht aus Fein- und Grobkies noch 40 cm des alten Filtermaterials in der Filterzelle verblieben, um ein mögliches Durchbrechen von Feststoffen zu vermeiden (Bild 2). Die insgesamt 23 t der 1. GAK (Tabelle 2) in der Körnung 1,4 2,5 mm wurden in Big-Bags angeliefert und mit Hilfe eines Autokrans gleichmäßig in der Filterzelle in einer Mächtigkeit von 1,2 m verteilt. Anschließend wurde die GAK vor Inbetriebnahme mehrere Tage gewässert, damit sich die offenen Porenräume der GAK mit Wasser füllen konnten. So wurde ein Verlust der GAK durch Auftrieb bei der ersten Rückspülung minimiert. Bild 2: Aufbau der Filterschichten Ende September 2011 wurde die 1. GAK mittels Saugfahrzeug entfernt und seitens des Lieferanten der thermischen Reaktivierung zugeführt. Das alte Filtermaterial wurde bis auf die Stützschicht abgesaugt und zur späteren Wiederverwendung auf der Kläranlage zwischengelagert. Im Anschluss wurde die 2. GAK-Füllung (Bild 2 und Tabelle 2) eingebracht. Es wurden wie bei der 1. GAK 23 t verwendet, die aufgrund der unterschiedlichen Dichten der GAKs eine Filterbetthöhe von ca. 1,5 m er-

7 - 54 / 7 - gaben. Auf einen Unterbau aus dem feineren, alten Filterkornmaterial wie bei der 1. GAK wurde verzichtet, da aufgrund der feineren Körnung der 2. GAK hier keine Verbesserung der Filterleistung erwartet werden kann. Tabelle 2: Verwendete granulierte Aktivkohlen Spezifikation 1. GAK 2. GAK Produkt HCR 700 (Fa. CSC) NRS GA 0,5-2,5 (Fa. Norit) Typ Steinkohlereaktivat Steinkohlereaktivat Korngröße 1,4 2,5 mm 0,5 2,5 mm Oberfläche 700 m²/g 975 m²/g Eingebaute Masse kg kg Zur Inbetriebnahme der umgerüsteten Filterzelle wurden die Feinkornanteile bei beiden GAK, die unvermeidlich beim Transport und während des Einbaus entstehen, mittels gezielter Inbetriebnahmespülung aus der Filterzelle entfernt. Bei der 1. GAK (1,4 2,5 mm) wurde dazu eine Wasserspülung mit einer Geschwindigkeit von 10 m/h eingeleitet, die sukzessiv in 5 m/h Schritten bis auf 60 m/h gesteigert wurde. Die einzelnen Spülgeschwindigkeiten wurden jeweils so lange beibehalten, bis das Rückspülwasser klar wurde. Die 2. GAK-Füllung (0,5 2,5 mm) wurde ebenso in Betrieb genommen, die maximale Spülgeschwindigkeit betrug jedoch aufgrund der feineren Körnung nur 50 m/h. Bei beiden GAK konnte bei maximaler Rückspülgeschwindigkeit (60 bzw. 50 m/h) während der Inbetriebnahme punktuell ein Austrag von GAK-Körnern festegestellt werden. Die automatische Rückspülung der GAK-Filterzelle für den regulären Betrieb nach Inbetriebnahme wurde aufgrund der halbtechnischen Vorversuche am ISA (BOR- NEMANN et al., 2011), der Herstellerangaben, der Beobachtungen bei Inbetriebnahme sowie der Erfahrungen des Betriebspersonals der Kläranlage Düren eingestellt. Die Wasserspülung wurde für die 1. GAK auf 50 m/h und für die 2. GAK auf 30 m/h festgesetzt. Die Luftspülung wurde hinsichtlich ihrer Intensität für die 1. und 2. GAK-Füllung im Gegensatz zur Referenz-Filterzelle von 70 auf 56 m/h reduziert, um die Abrasion der GAK zu minimieren. Ergebnisse Ein Teil der bisherigen Ergebnisse aus dem Betrieb einer großtechnischen Abwasserfilterzelle mit zwei unterschiedlichen GAK (Bild 2) seit Juni 2011 wird im Folgenden dargestellt. Zuerst werden die Siebanalysen von Filtermaterialproben aus unterschiedlichen Tiefen und über die Betriebsdauer der 1. GAK dargestellt. Anschließend wird die erzielte Feststoff- und CSB-Elimination der Referenz-Filterzelle den beiden GAK vergleichend gegenübergestellt. Filtermaterial In Bild 3 sind die Siebanalysen aus vier verschiedenen Filterbetttiefen für die 1. GAK

8 - 54 / 8 - unmittelbar nach Inbetriebnahme und nach 13 Wochen Filterzellenbetrieb dargestellt. Die Filtermaterialproben wurden mittels Sauger jeweils unmittelbar nach erfolgter Rückspülung aus dem Filter entnommen. Bild 3: Siebanalysen der 1. GAK (Messstelle MM3) in vier verschiedenen Tiefen nach Inbetriebnahme (o.) und nach 13 Wochen Betrieb (u.) Es zeigt sich, dass sich prinzipiell Anteile jeder der drei Kornfraktionen I, II und III in allen Filterschichttiefen wiederfinden. Kornfraktion II stellt dabei in jeder Filterschicht die größte Fraktion dar. In der geringsten Filterbetttiefe ist der Anteil der feinsten Kornfraktion I in beiden Siebanalysen am höchsten und nimmt mit der Filterbetttiefe ab. In der größten Filterbetttiefe ist der Anteil der gröbsten Kornfraktion III in beiden Siebanalysen am höchsten. Vergleicht man die Siebanalyse der Filterschichten nach Inbetriebnahme mit der nach 13 Wochen Betrieb, so zeigt sich insgesamt eine Abnahme der feinsten Kornfraktion I. Dies ist wahrscheinlich auf einen weiteren Austrag von Feinkorn trotz erfolgter Inbetriebnahmespülung zurückzuführen. Eine Abnahme der gröbsten Kornfraktion, die auf Abrasion der GAK hindeuten würde, ist hingegen nicht erkennbar. Zieht man weiterhin in Betracht, dass die Filterbetthöhe über den Betriebszeitraum von 13 Wochen im Rahmen der Messgenauigkeit von ca. 10 mm konstant geblieben ist (nicht aus Bild 3 ersichtlich), so lässt sich feststellen, dass es innerhalb des Be-

9 - 54 / 9 - trachtungszeitraums von 13 Wochen Betrieb (ca durchgesetzte Bettvolumina) nicht zu einer maßgeblichen Abrasion der GAK gekommen ist. Das lässt sich insbesondere dadurch erklären, dass die hier eingesetzte GAK mit mittlerem Aktivierungsgrad auf Steinkohlebasis eine relativ hohe spezifische Härte z. B. im Vergleich zur einer GAK auf Braunkohlebasis aufweist. Feststoff-Elimination In Bild 4 sind die abfiltrierbaren Stoffe (AFS) des Zulaufs der Filterzellen, des Ablaufs der Referenz-Filterzelle sowie des Ablaufs der GAK-Filterzellen mit beiden GAK- Füllungen dargestellt. Dabei wurden die Betriebszeiträume der 1. GAK und der 2. GAK unterschieden. Bild 4: Elimination abfiltrierbarer Stoffe (AFS) Es zeigt sich, dass die AFS im Zulauf des Filters insgesamt einen Schwankungsbereich zwischen unter 15 bis über 40 mg/l aufweisen. Die Mediane liegen bei 19,9 mg/l im 1. und bei 22,1 mg/l im 2. Betriebzeitraum und sind damit für den Ablauf einer Nachklärung vergleichsweise hoch. Die Referenz-Filterzelle zeigt in beiden Betriebszeiträumen eine Feststoff-Elimination von fast 85 % in Bezug auf ihre AFS-Mediane von 3,3 mg/l respektive 3,7 mg/l. Sowohl die 1. als auch die 2. GAK zeigen eine der Referenz-Filterzelle sehr ähnliche Feststoffelimination mit Medianen von 3,7 mg/l und 3,5 mg/l. Damit lässt sich feststel-

10 - 54 / 10 - len, dass die Feststoff-Elimination mit den unterschiedlichen GAK 1 und 2 wie bei der Referenz-Filterzelle erhalten bleibt. In Bild 5 ist die Dauer der Filtrationszyklen bis zur automatischen Rückspülung, ausgelöst durch das Druckkriterium, dargestellt. Die Referenz-Filterzelle muss demnach aufgrund des Druckabfalls nach 13,6 h (Median) rückgespült werden. Bild 5: Dauer der Filtrationszyklen bis zur Auslösung der automatischen Rückspülung durch das Druckkriterium Die 1. GAK zeigt einen längeren und damit in Hinblick auf die seltener durchzuführende Rückspülung vorteilhafteren Filtrationszyklus von 21,6 h. Hingegen musste die 2. GAK mit der feineren Körnung mit dem voreingestellten Druckkriterium von 0,5 mbar/(m³h -1 ) bereits nach 2,2 h zurückgespült werden. Die Rückspüldauer (inklusive Überstaubabsenkung, Laufzeiten der Schieber und eigentliche Luft- und Wasserspülungen) beträgt etwa 0,5 h. D. h., dass sich die GAK-Filterzelle mit der 2. GAK mit einem Druckkriterium von 0,5 mbar/(m³h -1 ) ca. ¼ ihrer Betriebszeit im Spülprozess befindet. Das Druckkriterium wurde daraufhin für die GAK-Filterzelle auf 0,7 mbar/(m³h -1 ) erhöht, um eine längere Laufzeit der Filterzelle zu bewirken, so dass die Filterzelle den regulären Betrieb durch häufiges Rückspülen nicht beeinflusst. Nach Anpassung des Druckkriteriums stieg die Filtrationsdauer auf 6 h. Bild 4 und Bild 5 zeigen, dass GAK 1 und GAK 2 im Vergleich zu der Referenz- Filterzelle weiterhin eine gute Feststoff-Elimination ermöglichen. Die 2. GAK muss jedoch aufgrund des hohen AFS im Zulauf des Filters sowie ihrer feineren Körnung

11 - 54 / 11 - und damit der vorherrschenden Flächenfiltration der Filterzelle sehr häufig rückgespült werden. CSB-Elimination In Bild 6 sind der homogenisierte chemische Sauerstoffbedarf (im Folgenden kurz: CSB) des Zulaufs des Filters sowie des Ablaufs der GAK- und der Referenz- Filterzelle gegen die in der GAK-Filterzelle durchgesetzten Bettvolumina aufgetragen. Bild 6: CSB hom der 1. GAK (mittlere Empty Bed Contact Time EBCT = 11 min bei Q = 250 m³/h, drei Sondenkalibrierungen sind als Pfeil gekennzeichnet) An den mit Pfeilen gekennzeichneten Stellen erfolgte eine Nachkalibrierung der Onlinesonden. Zwischen und Bettvolumina (BV) kam es bei der 1. GAK zum Ausfall der Onlinesonde des Ablaufs der Referenz-Filterzelle. Die CSB-Werte der GAK-Filterzelle zeigen neben der deutlichen Ausbildung einer Kurve Ausreißer bis zum CSB-Wert der Referenz-Filterzelle. Diese Werte entstehen, wenn die GAK- Filterzelle rückgespült wird, da sich die Onlinesonde im gemeinsamen Rohr für den Ablauf der Filterzelle und den Zulauf des Rückspülwassers befindet. Der CSB des Filterzulaufs schwankt im Bereich von etwa 40 bis 100 mg/l. Der Ablauf der Referenz-Filterzelle schwankt zwischen etwa 25 und 40 mg/l. Die innerhalb kurzer Zeit auftretenden CSB-Schwankungen im Filterzulauf bei z. B BV bilden sich auch im Ablauf des Referenzfilters ab, sind jedoch weniger ausgeprägt.

12 - 54 / 12 - Der CSB des Ablaufs der GAK-Filterzelle lag unmittelbar nach Inbetriebnahme der Filterzelle bei etwa 5 mg/l. Die zu Beginn hohe Eliminationsleistung ließ sich auch an der Entfärbung des ansonsten mit bloßem Auge klaren, aber gelblichen Ablaufs der Filterzellen erkennen. Die CSB-Werte des GAK-Filterzellenablaufs lagen bis etwa durchgesetzten BV unter denen des Referenzfilters. Danach zeigte sich auch bei hohen Belastungsschwankungen im Zulauf des Filters ein nahezu identisches Filtrierverhalten beider Zellen in Bezug auf den CSB. In Bild 7 sind für die 2. GAK analog zu Bild 6 der CSB des Zulaufs des Filters sowie des Ablaufs der GAK- und der Referenz-Filterzelle gegen die Bettvolumina aufgetragen. Der CSB des Filterzulaufs schwankt innerhalb der betrachteten Betriebszeit von 0 bis BV im Bereich zwischen 45 und 95 mg/l. Der Ablauf der Referenz- Filterzelle schwankt zwischen etwa 30 und 40 mg/l. Bild 7: CSB hom der 2. GAK (mittlere EBCT = 14 min bei Q = 250 m³/h) Der CSB des Ablaufs GAK-Filterzelle liegt bei < 5 mg/l bis etwa 30 mg/l. Der Vergleich des Ablaufs GAK-Filterzelle mit dem der Referenz-Filterzelle zeigt, dass sich die CSB-Elimination nach den betrachteten BV nur noch unwesentlich voneinander unterscheidet. Die Entfärbung des Wassers nach der Inbetriebnahme war ebenso wie bei der 1. GAK mit bloßem Auge erkennbar, hielt jedoch länger an. Der Vergleich der CSB-Ablaufwerte der 1. und 2. GAK zeigen, dass diese bei der 2. GAK langsamer ansteigen. Dieser Unterschied zeigt sich insbesondere beim Vergleich der Betriebszeit bis zu etwa BV. Zudem ist bei der 2. GAK auch nach durchgesetzten BV noch eine bessere wenn auch gegenüber dem Versuchsstart deutlich reduzierte CSB-Elimination im Vergleich zur Referenz-Filterzelle erkennbar. Die durch die feinere Körnung häufiger notwendige Rückspülung der 2. GAK wird durch die dichteren Punktwolken oberhalb der CSB-Kurve sichtbar.

13 - 54 / 13 - Zusammenfassung und Ausblick Eine der zwölf Zellen des Flockungsfilters der Kläranlage Düren wurde auf granulierte Aktivkohle umgerüstet. Ziel war es, den bestehenden, abwärts durchströmten Abwasserfilter zu nutzen, um eine weitergehende Kohlenstoffelimination zu erreichen. Gleichzeitig wurde die Elimination von Spurenstoffen untersucht, die jedoch in diesem Beitrag nicht dargestellt ist. Die GAK-Filterzelle wurde analog zu den weiteren elf Filterzellen (darunter eine Referenz-Filterzelle) unter realen Betriebsbedingungen gefahren. Durch Bestimmung von Sieblinien in der GAK-Filterzelle in verschiedenen Tiefen unter gleichzeitiger Lotung der Filterschichthöhe konnte gezeigt werden, dass für die untersuchte GAK im Betriebszeitraum von 13 Wochen keine messbare Abrasion stattfand. Es zeigte sich die zu erwartende Schichtung des GAK-Filterbettes mit vorwiegend feinen Filtermaterialanteilen im oberen Bereich des Filters und gröberen im unteren Bereich. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl mit der groben 1. GAK (1,4 2,5 mm) als auch mit der feinen 2. GAK (0,5 2,5 mm) eine ebenso gute Elimination von abfiltrierbaren Stoffen erreicht werden konnte wie in der Referenzfilterzelle. Die 1. GAK zeigte im Vergleich zur Referenz-Filterzelle mit altem Filtermaterial verlängerte Filtrationsintervalle durch eine bessere Raumfiltrationswirkung. Die 2. GAK zeigte im Vergleich zur Referenz-Filterzelle ein deutlich reduziertes Filtrationsintervall, so dass sich die Filterzelle zunächst ca. ein Viertel ihres Betriebs im Spülvorgang befand. Durch Anhebung des Druckkriteriums wurde daraufhin die Rückspülzeit auf kleiner zehn Prozent der Betriebszeit verringert. Die 1. GAK zeigte ab ca durchgesetzten Bettvolumina die gleiche CSB- Elimination wie die Referenz-Filterzelle. Die 2. GAK zeigte auch nach Bettvolumina noch eine geringfügig bessere CSB-Elimination. Für eine großtechnische Anwendung mit mehreren Filterzellen können solche, an Hand einer Filterzelle gewonnen Durchbruchskurven jedoch nicht direkt für eine Kostenermittlung herangezogen werden. Dadurch, dass im realen Großbetrieb Filterzellen in der Regel parallelgeschaltet sind und nicht der Ablauf einer einzelnen Filterzelle einem Grenzwert genügen muss, kann die einzelne Filterzelle über ihren Grenzwert hinaus beladen werden. Im Einzelfall muss daher durch integrative Betrachtung der Durchbruchskurven mit der Anzahl der Filterzellen im Parallelbetrieb eine Umrechnung erfolgen. Die Optimierung der Nachklärung mit dem Ziel einen geringeren Feststoffaustrag in den Filterzulauf zu erreichen wäre sinnvoll. Dadurch können auch GAK feinerer Körnung Verwendung finden, die in der Regel in der der zur Verfügung stehenden Kontaktzeit (EBCT) eine bessere Kohlenstoff-Elimination bewirken können. Die Erhöhung der Kontaktzeit ist an bauliche Bedingungen geknüpft, so dass diese hier nicht durch Vergrößerung der Betthöhe gesteigert werden kann.

14 - 54 / 14 - Dank Das Vorhaben wird mit finanziellen Mitteln des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MKULNV) gefördert. Vielen Dank insbesondere an unsere Labor-, Probenahme und Analysedatenauswerteteams sowie die Aktivkohlelieferanten für den intensiven fachlichen Austausch. Literatur ALT, K.; BARNSCHEIDT, I. (2012): Korrespondenz Abwasser Abfall, Nr. 1, Januar 2012, Hrsg. GFA, Hennef BORNEMANN, C.; HACHENBERG, M.; KAZNER, C.; HERR, J.; JAGEMANN, P.; LYKO, S.; BENSTÖM;, F.; MONTAG, D.; PLATZ, S.; WETT, M.; KAUB, J. M.; KOLISCH, G.; OSTHOFF, T.; ROLFS, T.; STEPKES, H. (2011): Teilprojekt 5: Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen, insbesondere kommunaler Flockungsfiltrationsanlagen durch den Einsatz von Aktivkohle. Zwischenbericht, gerichtet an das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordhein-Westfalen, zum (unveröffentlicht). FAHLENKAMP, H.; NÖTHE, T.; NOWOTNY, N.; LAUNER, M. (2008): Untersuchungen zum Eintrag und zur Elimination von gefährlichen Stoffen in kommunalen Kläranlagen, Phase 3, Abschlussbericht an das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, Lehrstuhl Umwelttechnik, Technische Universität Dortmund KIENLE, H. v.; BÄDER, E (1979): Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung, Enke Verlag, ISBN: , Stuttgart KNOPP, G. (2012): Persönliche Mitteilung, Herr Gregor Knopp, , Institut IWAR, TU Darmstadt LANUV (2012): Persönliche Mitteilung Frau Dr. Karin Dreher, , Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW LENS, G. (2011): Aktivkohlemanagement neue Ansätze vom Einkauf bis zur Reaktivierung, Gewässerschutz Wasser Abfall, Band 223, Tagungsband zur 44. Essener Tagung, Hrsg. Pinnekamp, J., Aachen 2011 NOWOTNY (2008): Zur Bestimmung und Berechnung des Adsorptionsverhaltens von Spurenstoffen an Aktivkohle in biologisch gereinigten Abwässern, Dissertation, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, Technische Universität Dortmund, Shaker Verlag, Aachen ROBERTS, P. V.; SUMMERS, R. S. (1982): Performance of granular activated carbon for total organic carbon removal, Journal American Water Works Association, vol. 74, no. 2, pp SCHRÖDER, M. (1998): Bewertung der Abwasserfiltration als Verfahrensschritt der Kommunalen Abwasserbehandlung, Dissertation an der Fakultät für Bauingenieurwesen der RWTH Aachen, Gewässerschutz Wasser Abfall, Band 169, Hrsg. Dohmann, M., Aachen 1998 SONTHEIMER, H.; CRITTENDEN, J. C.; SUMMERS, R. S.; FRICK, B. R.; FETTIG, J.; HÖRNER, G.; HUBELE, C.; ZIMMER, G. (1988): Activated Carbon for Water Treatment, Second Edition, ISBN: , DVGW-Forschungsstelle, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe STOWA (2009a): Nageschakelde zuiveringstechnieken op de AWZI Leiden Zuid-West Verkenning actief-kooladsorptie en geavanceerde oxidatietechnieken, Rapport 33, ISBN: , Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, Amersfoort, Niederlande STOWA (2009b): 1-step filter als effluentpolishingstechniek, Rapport 34, ISBN: , Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, Amersfoort, Niederlande

15 - 54 / 15 - WICHMANN, K. (1979): Untersuchungen zur weitergehenden Abwasserreinigung durch Aktivkohle- Adsorption unter Berücksichtigung der biochemischen Prozesse, Dissertation am Institut für Siedlungswasserwirtschaft der Universität Hannover Anschriften der Verfasser: Dipl.-Ing. Frank Benstöm Dr.-Ing. David Montag Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) RWTH Aachen University Mies-van-der-Rohe Str Aachen benstoem@isa.rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Thomas Rolfs Dipl.-Ing. Hermann Stepkes Wasserverband Eifel-Rur (WVER) Eisenbahnstr Düren thomas.rolfs@wver.de hermann.stepkes@wver.de