Membrantechnik und Mikroschadstoffelimination am Beispiel der Kläranlage Neuss Ost

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1 Membrantechnik und Mikroschadstoffelimination am Beispiel der Kläranlage Neuss Ost Dr. Heinrich Herbst, Sweco GmbH Dr. Sven Baumgarten, GE Water & Process Technologies Andreas Valperz, Sweco GmbH Google 19. und 20.September 2016, Düsseldorf

2 InfraStruktur Neuss: Kläranlage Neuss Ost Technische Daten Kläranlage Neuss Ost Anschlussdaten Ausbaugröße E Anschlussgröße < E Industrieanteil 70 % Max. Abwassermenge ~ m³/h Trockenwettermenge ~ m³/h Verfahrenstechnik A-Stufe ZK B-Stufe 2-stufige Hochlast-/ Schwachlastbiologie Doppelstöckige Nachklärung Abwasserfiltration (Zweischichtfilter) Extreme Platzverhältnisse Parken auf der Nachklärung NK Filter 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 2

3 Optionen Mikroschadstoffelimination mit PAK Alternative Verfahren zur Mikroschadstoffelimination am Beispiel der Kläranlage Neuss Ost Ozon PAK Dosierung + Sedimentation und Abscheidebecken AktivFlow Carb PAK-Dosierung Ablauf NKB u. Überstand des Filters Mikroschadstoffelimination PAK-Dosierung in einen MBR PAK-Dosierung Ablauf NKB u. tertiäre Membran (Einbau Filterzelle) 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 3

4 A. Aufbau Versuchsanlagen Filter, tertiäre Membran und MBR Filipebvarela / Fotolia

5 Versuchsanlagen Filter, tertiäre Membran und MBR PAK Dosierung in Filterüberstand (großtechnisch) Reaktionsvolumen im Überstand V = 210 m³ Aufenthaltszeit: 30 Minuten Kohle CSC pharma-clean zuflußproportionale Beschickung 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 5

6 Versuchsanlagen Filter, tertiäre Membran und MBR PAK-Dosierung in tertiären Membran (Halbtechnik) Reaktionsvolumen V = 2,8 m³ Aufenthaltszeit: 60 Minuten Kohle Norit SA UF Konstant maximale Beschickung 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 6

7 Versuchsanlagen Filter, tertiäre Membran und MBR PAK-Dosierung in einen Membranbioreaktors ZeeWeed Becken 1,41 m³ Nitrifikation 2,84 m³ Ausgasung 0,81 m³ Denitrifikation 1,82 m³ Betrieb parallel zur vorh. Schwachlastbiologie mit down-scaliertem Maßstab Beschickung mit Abwasser Ablauf Zwischenklärung Maximale Beschickung 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 7

8 B. Ergebnisse CSB und Nährstoffe - Filter, tertiäre Membran und MBR - SWECO

9 Ergebnisse CSB und Nährstoffe - Filter, tertiäre Membran und MBR CSB und Nährstoffe, Mittelwerte Ablauf Filter, tertiäre Membran (UF) und Ablauf Kläranlage Ursachen Unterschiedliche PAK (CSC und NORIT) Unterschiedliche Aufenthaltszeiten (Membran ca. 60 min; Filter ca. 20 min) PAK Dosierung 10 / 15 / 20 mg/l Im Vergleich zu Ablauf KA kaum Leistungssteigerung weder tertiäre Membran noch PAK in Überstand Reduktion CSB (Ablauf NK) tertiäre UF und PAK-Filter ca % Überwiegender Anteil des CSB liegt gelöst vor Entnahme schwerpunktmäßig über die PAK Leicht höhere CSB gelöst - Entnahme bei tertiären Membran kein Einfluss der PAK- Dosiermenge erkennbar Kein Einfluss auf Nährstoffe 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 9

10 Ergebnisse CSB und Nährstoffe - Filter, tertiäre Membran und MBR CSB und Nährstoffe, Mittelwerte MBR und Ablauf Kläranlage CSB Ablauf MBR ohne PAK weitestgehend identisch zu Ablauf Filter CSB Ablauf MBR mit PAK deutlich geringer als Ablauf Kläranlage Elimination CSB: Ablauf KA ~ 93 % (Median) Ablauf MBR ~ 95 % (Median) MBR +PAK höhere NH 4 -N und PO 4 -P Elimination Biologisch Feststoffrückhalt 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 10

11 C. Adsorptionsvermögen Norit SA UF und CSC pharma-clean kw-on / Fotolia.com

12 Adsorptionsvermögen Norit SA UF und CSC pharma-clean Vergleich der Aktivkohlen NORIT SA UF CSC pharma-clean Jodzahl > > Spezifische Oberfläche m²/g m²/g Dichte 225 kg/m³ < 300 kg/m³ Aschegehalt 10 Massen-% < 8 Massen-% Norit-Kohle höhere Adsorptionskapazität Ł Untersuchung der Adsorptionskinetik ( min und 24 h) 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 12

13 Adsorptionsvermögen Norit SA UF und CSC pharma-clean Konzentrationen Ablauf Nachklärung -alle Versuchsphasen Benzotriazol 15-Perz.~ ng/l, 85-Perz.~ ng/l Max 85-P. Median 15-P. Carbamazepin 15-Perz.~ 750 ng/l, 85-Perz.~ ng/l Diclofenac 15-Perz.~ ng/l, 85-Perz.~ ng/l Metoprolol 15-Perz.~ ng/l, 85-Perz.~ ng/l Sulfamethoxazol 15-Perz.~ 200 ng/l, 85-Perz.~ 400 ng/l 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 13

14 Adsorptionsvermögen Norit SA UF und CSC pharma-clean Versuche zur Kontaktzeit (24 Std.) Metoprolol weist höchste Abbauraten auf: bis 94 % Große Unterschiede zwischen Kohlen insbesondere bei Benzotriazol Norit % CSC % Norit tendenziell höhere Elimination Weitere untersuchte Kontaktzeiten Norit: 30 min. Elimination % 60 min. Elimination % CSC: 30 min. Elimination 8-27 % 60 min. Elimination % 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 14

15 D. PAK Filter und tertiäre Membran Mikroschadstoffelimination und Betriebsergebnisse SWECO

16 PAK-Filter und tertiäre UF - Mikroschadstoffelimination und Betriebsergebnisse - Vergleich der Eliminationsgrade 20 mg/l PAK Ablauf Referenzfilter Ablauf Filter 8 Ablauf Membran Bezug Ablauf Nachklärung Tertiäre Membran mit PAK Norit Filterüberstand mit PAK CSC PAK Dosierungen mit 10 /15 / 20 mg/l Abbauleistungen im allg. über 60 % Keine Berücksichtigung PAK Rückführung in die Biologie bis zu 10% (Filterspülabwasser, Membrankonzentrat) Ablauf [ng/l] PAK F8 tr. MB PAK F8 tr. MB PAK F8 tr. MB PAK F8 tr. MB PAK F8 tr. MB Ähnliches Eliminatiosnverhalten 15%P %P und 20.September 2016, Düsseldorf 16

17 Betriebsergebnisse Membran Tertiäre UF (Ablauf Nachklärung) Flussleistung, Temperatur und Permeabilität FLUX Temperatur FLUX Tank-Drain; Batchbetrieb des des Reaktors nur Abzug (Klarwasser), Ausschlemmen des gesamten Tanks Feed and Bleed; kontinuierliche Abschlemmung bei höchster Ausbeute (Klarwasser) Membranleistung unterhalb typischer kommunaler T-UF: Tank-Drain liefert beste Leistung moderate Flüsse 24 LMH bei 90% Ausbeute Ziel 27 LMH negativer Einfluss d. Regenereignisse relativ hoher Belüftungsbedarf tägliche Zwischenund monatliche Intensivreinigung keine negativen Auswirkungen durch PAK- und Fe- Dosierung 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 17

18 E. MBR Mikroschadstoffelimination und Betriebsergebnisse - SWECO

19 Betriebsergebnisse Membranbioreaktor Vergleich der Eliminationsgrade 20 mg/l PAK Ablauf PAK Filter 8 nur als Orientierung, da Bezug Ablauf NKB PAK Filter 8 mit CSC-Kohle Versuche mit CSC Kohle beim MBR Bezugsgröße Ablauf ZK MBR weist konstant die geringere Ablaufkonzentrationen auf (70 90%) Ł Rückführung der Kohle Ablauf [ng/l] MBR PAK F8 MBR PAK F8 MBR PAK F8 MBR PAK F8 MBR PAK F8 Besonders auffällig bei Benzotriazol und Diclofenac jeweils + 30 % 15%P %P und 20.September 2016, Düsseldorf 19

20 Betriebsergebnisse Membran Membranbioreaktor Flussleistung, Temperatur und Permeabilität Belüftung FLUX Membranleistung oberhalb typischem kommunalem MBR: weitgehend stabile Permeabilität sehr hohe Flüsse von 50 LMH über 14 Tage, bis zu 65 LMH über 6 h demonstriert geringe Belüftungs-raten bei Flüssen bis zu 35 LMH wöchentliche Zwischenund halbjährliche Intensivreinigung keine negativen Auswirkungen durch PAK- und Fe-Dosierung 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 20

21 F. Resümee und Fazit

22 Resumee Mögliche Ausbauvarianten für den Einsatz von Membranen Option tertiäre Membranen Einbau in die vorhandenen Filterzellen Vollausbau o. Teilausbau für unterschiedliche Wassermengen O TW oder Q RW ggf. Beckenvolumen erforderlich Optionen für einen MBR Einbau Schwachlastbiologie Neubau Becken und Maschinenhalle (vorhandene Grünfläche 26 m x 50 m Einbau in die vorhandene Nachklärung 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 22

23 Betriebsergebnisse Membran Vergleich tertiäre Membran UF vs Membranbioreaktor Aspekt Redundanz PAK Membrane in Filterzellen 50% (Teilstrom) N+1 (kurzzeitiger Verzicht auf 1 Straße) PAK Membranbioreaktor 100% (Vollstrom) N+1(kurzzeitiger Verzicht auf 1 Straße) Auslegungswassermenge m³/h m³/h Membranfläche m² m² Anlagentechnik 10 (4*2+1*2) Straßen 8 Straßen Engineering/ Ausführung Umbau bei lfd. Betrieb Paralleler Umbau (bei Neubau) Betriebsmittel Energie (Belüftung+Permeat/Rezi.Pumpe) Reinigungschemikalien Hypo 10% Citric 50% 0,18 0,19 kwh/m³ (davon 0,08 kwh/m³ für Reziströme) 150 t/a 41 t/a 0,10 0,11 kwh/m³ 54 t/a 40 t/a 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 23

24 Resümee Vergleich PAK im Filterüberstand, tert. Membran und MBR Aspekt PAK Filterüberstand Einfach ggf. Vorfiltration aufgrund hoher AFS im Ablauf NKB (vgl. Kläranlage Buchenhofen) PAK + tertäre Membrane in Filterzellen Filter nur 50 % mit Membranen bestückt m² Membran Q TW Fluss 25 LMH Ł Ziel 27 LMH Membranbioreaktor Neue Siebanlage zum Betrieb eines MBR m² Membran Q RW Fluss 35 LMH bis 60 LMH (über 6 Stunden) Durchsatz Q TW = m³/h Q TW = m³/h Q RW = m³/h Verfahrenstechnik Leistungsreserve Reinigungsleistung Keine CSB, P, N unverändert Keine ggf. Ausbau auf Qmax möglich CSB, P, N leicht erhöht, da 100 % Feststoffrückhalt Steigerung des TS um 25 % Leistungsreserve bzgl. Stickstoffelimination CSB, P leicht erhöht N deutlich erhöht (100 % Feststoffrückhalt, erhöhte biologische Aktivität) 19. und 20. September 2016, Düsseldorf 24

25 Fazit Zusammenfassung weiteres Vorgehen Mikroschadstoffelimination vergleichbarer Abbau der Mikroschadstoffe bei allen Verfahren u. Berücksichtigung: unterschiedlicher Kohlen und Aufenthaltszeiten Rückführung der Filterspülabwässer und Konzentrat aus der Membran in die B-Stufe mittlere Dosierung liegt zwischen 15 und 20 mgpak/l unabhängig vom Verfahren Verfahrenstechnik Membrantechnik zahlreiche Optionen sowohl für tertiäre Membran und MBR hinsichtlich Ausbauumfang und Einbau gleichwertig im Bezug zur Mikroschadstoffelimination Zahlreiche technische Verfahrensoptionen und Möglichkeiten sind einsetzbar und zeigen derzeit keine Festlegung auf eine Technologie möglich Ł Bewertung hinsichtlich technisch betriebliche und wirtschaftlicher Aspekte erforderlich 19. und 20.September 2016, Düsseldorf 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Heinrich Herbst Dr. Sven Baumgarten SWECO 19. und 20.September 2016, Düsseldorf