Spurenstoffentfernung

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1 Einsatz von Biofiltern für die Wasserund Nährstoffwiederverwendung und für die weitergehende Abwasserreinigung zur Spurenstoffentfernung Vom Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines DoktorIngenieurs (Dr.Ing.) genehmigte Dissertation von Dott. Ing. Alessandro Meda aus Crescentino, Italien Darmstadt im August 2012 D17

2 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS VII IX XIII 1 EINLEITUNG, VERANLASSUNG UND ZIELE 1 1. l Einsatz von Biofiltern für die Wasserwiederverwendung mit Nährstoffnutzung Energieverbrauch und Optimieruno von Biofilteranlagen Biofilter für die Spurenstoffentfernung 3 2 THEORETISCHER HINTERGRUND UND STAND DER FORSCHUNG 7 2. l Wasserwiederverwendung und Einsatz von Biofiltern Hintergrund zur Wasserwiederverwendung Warum Wasserwiederverwendung? Energetische Aspekte der Wasserwiederverwendung Wasserwiederverwendung in der Landwirtschaft Weitere Wiederverwendungsoptionen Urbane Wasserwiederverwendung Wasserwiederverwendung in der Industrie f Grundwasseranreicherung Direkte und indirekte Wiederverwendung als Trinkwasser Nutzung der Abwassernährstoffe in derlandwirtschaftlichen Bewässerung Potentiale und Grenzen der der Verwendung von Abwasserressourcen Potentiale und Grenzen der der Wiederverwendung von Wasser Potentiale und Grenzen der der Wiederverwendung von Nährstoffen Saisonale Wasserspeicherung Saisonal unterschiedlicher Betrieb von Abwasserbehandlungsanlagen Belebungsverfahren Andere Verfahren und Verfahrenskombinationen Biofilter Auswirkungen von variablen Belastungen auf Biofilter Umgang mit variablen Belastungen in der aktuellen Betriebspraxis von großtechnischen Biofilteranlagen in Deutschland Verhalten der Biomasse bei Substratmangel mikrobiologische Aspekte und Absterberate unter verschiedenen Bedingungen Spurenstoffe Was sind Spurenstoffe? Relevanz von Spurenstoffen im Wasserkreislauf und mögliche Gegenmaßnahmen Elimination von Spurenstoffen in der konventionellen Abwasserbehandlung 30 I

3 Strippung Sorption an Primär und Belebtschlamm Biologischer Abbau ReMetabolisierung und Spaltung von Konjugaten Weitergehende Abwasserreinigungsverfahren zur Elimination von Spurenstoffen Oxidative Verfahren Ozonung Adsorption an Aktivkohle Adsorption von Spurenstoffen in organisch belastetem Abwasser konkurrierende Adsorption Kinetik der Adsorption von Spurenstoffen im Abwasser an Aktivkohle Anwendung von Pulveraktivkohle (PAK) zur Abwasserbehandlung Filtration mit granulierter Aktivkohle (GAK) zur Abwasserbehandlung Biologisch aktivierte Aktivkohle (BGAC) Elimination von Spurenstoffen in Biofiltern 56 3 MATERIALIEN UND METHODEN ENERGIEANALYSEN VON BlOFILTERANLAOBN Generei le Bemerkungen Angaben zur durchgeführten Energieanalyse Datenanalyse Versuchezum flexiblen betrieb vonnitrifizierenden biofiltern im pilotmabstab Versuchsanlage Aufbau Verwendetes Filtermaterial Angaben zu Versuchsdurchführung und Betriebsparameter Versuchsphasen Probenahme Gemessene Parameter Berechnungen und Darstellung der Daten 70.3 Untersuchungen zur weitergehende Abwasserreinigung mit Aktivkohle und Biofiltern zur Spurenstoffentfernung Versuchsanlage Aufbau Verwendetes Filtermaterial Angaben zu Versuchsdurchführung und Betriebsparameter Versuchsphasen Probenahme Wasserproben Filterprofile Untersuchung des Spülabwassers 77 II

4 3.3.3 Gemessene Parameter Auswahl der zu untersuchenden Spurenstoffe Analytik der Spurenstoffe Analytik sonstiger nasschemischer und physikalischer Parameter Berechnungen und Darstellung der Daten Darstellung mit Boxplot Diagrammen Umgang mit Werten unterhalb der analytischen Bestimmungsgrenze Angaben zur Auswertung 82 4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION: ENERGIEVERBRAUCH VON BIOFILTERANLAGEN Energieverbrauch von Biofilteranlagen Fallbeispiel Analyse von Betriebsdaten einer Biofilteranlage Bewertung des aktuellen Energieverbrauchs (IstZustand) Vergleich mit dem Belebungsverfahren Abschätzung des Optimierungspotentials Feedback SCHLUSSFOLGERUNGEN 94 5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION: FLEXIBLER BETRIEB VON NITRIFIZIERENDEN BIOFILTERN IM PILOTMAßSTAB NITRIFIKATIONSRATE AUDERBETRIEBSZUSTAND UND WIEDERINBETRIEBNAHME Entwicklung der Biomassenaktivität im Außerbetriebszustand und nach Wiederinbetriebnahme Einfluss von Temperatur, Lagerungsstrategie und Stillstandszeit Einfluss einer zwischenzeitigen Beschickung Milieu und Verhalten von Protozoen Interpretation des Verhaltens im Außerbetriebszustand EMPFEHLUNGEN FÜR DIE Praxis Schlussfolgerungen ERGEBNISSE UND DISKUSSION: WEITERGEHENDE ABWASSERREINIGUNG MIT AKTIVKOHLE UND BIOFILTERN ZUR SPURENSTOFFENTFERNUNG Organische Restverschmutzung Gelöste organische Restverschmutzung Partikuläre organische Restverschmutzung Vergleich der Filtersäulen in Langzeitverhalten bezüglich der Restorganik Beladung der Aktivkohle Sauerstoffkonzentration 121 ^

5 6.3 Stickstoffverbindungen Spurenstoffe: Vorkommen im verwendeten gereinigten Abwasser Relevante Stoffe Phase mit Abwasserdosierung Entnahme tn der beprobten Kläranlage(Klarwerk Darmstadt Süd) Elimination von Spurenstoffen Entnahmerate über die gesamte Versuchszeit Versuchsphasen mit unterschiedlicher Filtergeschwindigkeit Allgemeine Betrachtung Betrachtung der einzelnen Stoffe Vergleich der Filtersäulen im Langzeitverhalten bezüglich der Entfernung von Spurenstoffen Filterprofile Weitere Ergebnisse Bilanzierung der mit der Spülung ausgetragenen Stoffmenge Phase mit Abwasserdosierung Schlusspolgerungen Organische Restverschmutzung ' Spurenstoffe Vergleich der Kornkohlefiltration mit der Anwendung von Pulveraktivkohle ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG Versuchsanlagen Kenndaten des Klärwerks Darmstadt Süd in DarmstadtEberstadt Bilder Daten der verwendeten Filtermaterialien Versuchsphasen Analytische Methoden Probenvorbereitung Nasschemische Parameter Physikalische Parameter Abfiltrierbare Stoffe (AFS/oAFS) Trockenrückstand (TR/oTR) Organische Spurenstoffe Bestimmung aus der wässrigen Phase ,6.1.1 Bestimmung von Arzneimittelwirkstoffen 190

6 Bestimmung von Alkylphenolen und endokrin wirksamer Substanzen Bestimmung aus der Feststoffphase Bestimmung von Arzneimittelwirkstoffen Bestimmung von Alkylphenolen und endokrin wirksamer Substanzen Kenndaten zum Energieverbrauch Vergleichswerte für den Energieverbrauch von Belebungsanlagen Energieverbrauch für die Stickstoffelimination in Belebungsanlagen und mögliche Einsparungen durch deren Wegfall Analyse von Betriebsdaten einer Biofilteranlage Auflistung der untersuchten Wochen Beispiele der Auswertung von Wochenganglinien Methanolverbrauch Verfahrensvolumens der GAK und P AKAnwendung Ergänzende Bilder: Nitrifizierende Biofilter in Auberbetriebszustand Ergänzende Grafiken: Vorkommen von Spurenstoffen im verwendeten gereinigten Abwasser Ergänzende Grafiken: Ganglinien der Spurenstoffe in Zulauf und Ablaufder Filtersäulen Ergänzende Grafiken: Weitere Summenparameter in Zulauf und Ablauf der Filtersäulen 226 V