Erweiterte Reinigungsverfahren für Abwasser und Oberflächenwasser im Kontext des teilweise geschlossenen Wasserkreislaufs in Berlin

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1 Erweiterte Reinigungsverfahren für Abwasser und Oberflächenwasser im Kontext des teilweise geschlossenen Wasserkreislaufs in Berlin Martin Jekel Technische Universität Berlin 11. Langenauer Wasserforum,

2 Situation in Berlin Benzotriazol [µg/l] Carbamazepin [µg/l] Gabapentin [µg/l] Dr. Dünnbier 2

3 Entwicklungen Weniger Wasser in den Flüssen, minus 4 % in 24, geringere Verdünnung Demographie: Alterung der Bevölkerung und höherer Medikamentenverbrauch, plus 25 % Daher erwartet: Verdoppelung der Konzentrationen an Spurenstoffen in Gewässern Einhaltung von vorgeschlagenen Grenzwerten in Gewässern und in Trinkwasser problematisch. Hohe DOC-Konzentrationen: 1 16 mg/l

4 Die Verbundvorhaben: ASKURIS: (BMBF, RiSKWa-Fördermaßnahme) Anthropogene Spurenstoffe und Krankheitserreger im urbanen Wasserkreislauf: Bewertung, Barrieren und Risikokommunikation (9 Partner) IST4R: (Senat und EU) Integration der Spurenstoffentfernung in die Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe (TUB, BWB, KWB) Partner

5 Die Partner TU Berlin: 1 Netzwerk, 3 Fachgebiete - Innovationszentrum Wasser in Ballungsräumen - Wasserreinhaltung (Jekel) - Ökolog. Wirkungen & Ökotoxikologie (Pflugmacher) - Methoden der empirischen Sozialforschung (Baur) Berliner Wasserbetriebe: (Dünnbier, Böckelmann, Gnirß, Sperlich) KWB ggmbh: (Remy, Miehe) UFZ: Department Analytik (Reemtsma) UBA: Toxikologie des Trink- und Badebeckenwassers (Grummt) LW: Betriebs- und Forschungslaboratorium (Schulz) 5

6 Projektbausteine Analytik Verfahren Biologische Wirkungen Risikowahrnehmung und -verhalten Verfahrensbewertung Risikomanagement Verbreitung und Ergebnisverwertung 6

7 Projektbausteine Analytik Verfahren Aktivkohle Biologische Wirkungen Risikowahrnehmung und -verhalten Verfahrensbewertung Risikomanagement Verbreitung und Ergebnisverwertung 7

8 Aktivkohle-Screening 17 Aktivkohlen 6 Hersteller versch. Rohstoffe Variation von Adsorptionszeit AK-Dosis Viele starke AK Einige schwache AK Prof. Dr. Jekel 8

9 Diclofenac-Entfernung [%] Aktivkohlevergleich Prognose der Spurenstoff- Entfernung mittels UV 254 (einfach messbar) Korrelation weitgehend unabhängig von Aktivkohlesorte Diclofenac 3 min UV 254 -Entfernung [%] A B C D E F G H PAK GAK Prognose der Spurenstoff-Entfernung auch bei unbekannten Aktivkohlen nach Zietzschmann et al. (214) Wat. Res. 56 9

10 removal [%] Steuerung der PAK-Dosierung SAK 254 als Kontrollparameter PAC (t=3min) carbamazepine diclofenac sulfamethoxazole WWTP A WWTP B WWTP C WWTP D benzotriazole iomeprol primidone reduction of UV 254 absorption [%] bezafibrate 2 4 6

11 residual concentration c/c [-] residual concentration c/c [-] residual concentration c/c [-].8 Steuerung der PAK-Dosierung Einfluss der DOC-Konzentrationen WWTP c) A WWTP B.8 WWTP C.2 WWTP D.6 benzotriazole ozone dose [mg/l] a) d) PAC dose [mg/l] spec. PAC dose [mg PAC / mg DOC] DOC [mg/l] WWTP A 14,4 WWTP B 14,2 WWTP C 11,1 WWTP D 9,6 PAK-Dosierung bezogen auf DOC-Konzentration zeigt vergleichbare relative Spurenstoff- Entfernungen

12 c/c [-] c/c [-] Aktivkohlevergleich Granulierte Aktivkohlen Vergleich im Mini- Festbettfilter Methylbenzotriazol Aktivkohle Beispiel mit Farbstoff Stoffabhängig starke Unterschiede.2 Sulfamethoxazol Bettvolumina [-] 12

13 Integration der Spurenstoffentfernung in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe Fokus: paralleler Vergleich von Verfahrensoptionen zur Spurenstoffentfernung und Phosphorentfernung Verfahrensvarianten: Flockungsfiltration mit Pulveraktivkohledosierung Aktivkohlefiltration (nachgeschaltet oder als zusätzliche Filterschicht) Flockungsfiltration mit vorheriger Ozonung Ablauf Nachklärung + PAK + FM Ablauf Nachklärung + FM Ablauf Nachklärung + FM Ablauf Nachklärung + Ozon + FM Anthrazit Sand Anthrazit Sand Granulierte Aktivkohle Granulierte Aktivkohle Sand Anthrazit Sand Gewässer Gewässer Gewässer Gewässer

14 Pilotanlage der BWB zur Pulveraktivkohledosierung Zweischichtfilter: 1,2 m Anthrazit,,6 m Sand Filtergeschwindigkeit: 7,5 m/h (=8,5 m 3 /h) Filterlaufzeit: 12 h / 24 h Flockungsmitteldosierung: 4-5 mg/l (nach ortho-p Signal) PAK-Dosierung: 1, 2, 35, 5 mg/l

15 Suspendierte Stoffe [mg/l] IQR PAK-Dosierung: Auswirkungen auf Flockungsfiltration Suspendierte Stoffe 8 6 Max 75% Perzentil Median 25% Perzentil Min Filter Laufzeit 12 h 24 h Filterlaufzeit 12 h bis 5 mg/l PAK 4 2 PAK-Dosis [mg/l] Zulauf Zielwert PAK-Dosierung hat geringe Auswirkung auf Filterdurchbruch Hauptfaktor: Flockungsmittelmenge Außerdem: geringe Auswirkungen auf den Filterdruckverlust 15

16 Entfernung [%] Spurenstoffentfernung mg/l n= mg/l n=12 5 mg/l PAK n= Schlecht Mittel Gut Altmann et al., Water Research 84 (215),

17 Spurenstoffentfernung [%] Spurenstoffentfernungl [%] UV 254 -Absorption als Kontrollparameter UV 254 = SAK 254 Überwachung durch Online-Sonde 1 Carbamazepin 1 Diclofenac Batchversuch (3 min) 2 Batchversuch (3 min) Pilotanlage Pilotanlage UVA 254 -Entfernung [%] UVA 254 -Entfernung [%]

18 Einsatz granulierter Aktivkohle Ablauf Nachklärung + FM 1. Nachgeschaltet im Anschluss an Flockungsfiltration (mit/ohne Ozonung) Anthrazit Sand Granulierte Aktivkohle Gewässer 2. GAK in Flockungsfiltration integriert Als zweite Filterschicht Einschichtfiltration im Aufstrom Ablauf Nachklärung + FM Granulierte Aktivkohle Sand Gewässer

19 c/c 1,8,6,4 Spurenstoffentfernung Durchbruchskurven Zweischichfilter (15 min) Aufstromfilter (2 min) c/c,2 1,8,6,4,2 Carbamazepin Laufzeit [d] Zweischichfilter (15 min) Aufstromfilter (2 min) Carbamazepin Durchgesetzte Bettvolumina [m 3 Filtrat / m 3 GAK] Entfernung durch GAK-Adsorption

20 Spurenstoffentfernung c/c 1,8,6,4,2 1 Zweischichfilter (15 min) Aufstromfilter (2 min) Gabapentin Durchgesetzte Bettvolumina [m 3 Filtrat / m 3 GAK] c/c,8,6,4,2 Gabapentin Laufzeit [d] Entfernung durch GAK-Adsorption + biologische Transformation

21 Spurenstoffentfernung durch GAK-Filtration Theoretische Aktivkohledosis [mg GAK /L] Schlecht Mittel Gut Amidotrizoesäure Acesulfam Gabapentin Valsartan 4-FAA Iomeprol Iopromid Primidon Sulfamethoxazol Bezafibrat Diclofenac Benzotriazol Carbamazepin Methyl-BTA Metoprolol Durchbruch 2% 5% Zweischicht-GAK-Filter Bettvolumina [m 3 Filtrat / m 3 GAK]

22 Vorstellung des Untersuchungsgebiets Verbraucher Wasserwerk Tegel 22

23 Pilotanlage: Rezirkulationsverfahren (Neu-)Ulmer Verfahren oder Kapp-Metzger-Verfahren 1-3 mg/l Zulauf L/h 1 mg/l Kontaktreaktor Flockungsmittel Aktivkohlesuspension Flockungshilfsmittel,3 mg/l 2-3 g/l TSS, t=18-45 min Schlammalter: d Rezirkulation des Kohleschlammes Separate Adsorptionsstufe mit Rezirkulation zur Elimination von Spurenstoffen neben der Phosphorelimination Sedimentation t=1,6-3,7 h Abzug des Überschussschlammes Filtration Bims 2-3 mm Sand,7-1,3mm Filterlaufzeit: h 8,5 m/h 6 L/h

24 Spurenstoffentfernung Pilotanlage in OWA Tegel 1% Dosierung 2 mg/l PAC 8% 6% 4% 2% % ATS GAB ACS IOP FAA DCF CBZ BTA % RV;.1 g/l TSS 15% RV;.7 g/l TSS 66% RV; 1.9 g/l TSS 1% RV; 2. g/l TSS 1% RV; 2.8 g/l TSS Trend zur besseren Entfernung bei hohem TSS-Gehalt um 2-3 g/l 24

25 Spurenstoffelimination [%] Verfahrensvergleich 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % 2 mg/l PAK ATS GAB ACS IOP FAA DCF CBZ BTA Referenz ohne Rezi. n = PAK-Dos. vor Flockungsfiltr. n = PAK-Dos. vor Filter n = 8-1 max. Rezi (2,8 g/l TSS) n = PAK-Dosierung vor Flockungsfiltration: P-Ablaufkonzentrationen: 3 µg/l bei 4 mg/l Fe 3+ PAK-Dosierung vor Filter: P-Ablaufkonzentrationen: 3 µg/l bei 1 mg/l Fe 3+ Gute Abscheidung der Kohle im Filter: <,2 mg/l PAK im Ablauf (Vorversuch; Meinel et al,. 215*)

26 Projektbausteine Analytik Verfahren Ozonung und Biofiltration Biologische Wirkungen Risikowahrnehmung und -verhalten Verfahrensbewertung Risikomanagement Verbreitung und Ergebnisverwertung 26

27 Aufbau Versuchsanlage Start der Ozonung nach weitgehender Erschöpfung der Adsorptionskapazität des Aktivkohlefilters Dr. Miehe

28 Oxidation von Spurenstoffen SMX CBZ DCF n <BG Konservativ: Werte < Bestimmungsgrenze = BG Optimistisch: Werte < BG =

29 Spurenstoffeliminierung: Spez. Ozondosis 1. Elimination hängt vom spezifischen Ozoneintrag ab 2. Zusammenhang von Elimination und Ozoneintrag ist stoffspezifisch 3. Zwei Standorte vergleichbare Dosis- Wirkungsbeziehung 4. Zwei unterschiedliche Ozoneintragssysteme vergleichbare Dosis- Wirkungsbeziehung DCF: Diclofenac BTA: Benzotriazol IOP: Iopromid

30 Desinfektion durch Ozonung E.Coli E.Coli vs. vs. SAK SAK 254 [%] E DOC,korr [mgo 3 /mgdoc] Anzahl [-],,,,,,,,,,,,,

31 Ökotoxizität Pilotanlagen Prof. Dr. Pflugmacher Lima PAK Enzymmessungen Peroxidase Gluthathion-S-Transferase Katalase Ames-Test Umu-Chromotest Akute Toxizität (Wasserflöhe) (n=12)

32 Effekt der Nachbehandlung (bei,7 mg O 3 / mg DOC Solleintrag) Ozonung Ozonung + BAK Ozonung + ZSF Ozonung + ZSF + LSF Amidotrizoesäure (ATS) 1% 2% % -6% Iopromid (IOP) 37% 39% 47% 55% Gabapentin (GAB) 46% 51% 48% 45% Acesulfam (ACE) 56% tw. Zunahme 51% 57% 55% Primidon (PRI) 58% 66% 62% 58% Benzotriazol (BTA) 66% 97% 66% 59% Bezafibrat (BEZ) 67% 77% 73% 65% Mecoprop (MEC) 46% 49% 47% 45% Metoprolol (MET) 75% 91% 81% 83% Sulfamethoxazol (SMX) 72% 75% 74% 67% stets < BG stets < BG stets < BG stets < BG FAA 97% 99% 99% 99% Carbamazepin (CBZ) 95% 95% 95% 95% Diclofenac (DCF) 97% 98% 97% 97% - < 4% 4 - < 8% 8% ZSF = Zweischichtfilter LSF = Langsamsandfilter BAK = Biol. Aktivkohlefilter, Adsorptionskapazität bereits weitestgehend erschöpft ( > 36 BV)

33 Verfahrensbewertung Szenarien & Dosierung von Ozon und Aktivkohle 12 mg/l DOC 132. m³/d (nach Ausbau) Klärwerk Schönerlinde Tegeler See OWA Tegel 1 mg/l DOC 221. m³/d Tegeler Fließ OWA Tegel KW Schönerlinde DOC spezifische Dosierung [ g/g DOC] Ozon Ozon + Filter PAK + Filter PAK Simultandosierung Ozon PAK * GAK-Filter, nachgeschaltet GAK, 2. Filterschicht niedrig mittel hoch,4,7 1, 1, 2,5 4,,4,7 1, 1, 2,5 4, 5 BV 2 BV 8 BV Dr. Remy * Dosierung nach Flockung (8 mg/l DOC) 34

34 TEG GAK 2.Schicht TEG GAK Filter TEG PAK TEG Ozon. KW PAK Simultan TEG GAK 2.Schicht KW PAK+Filter TEG GAK Filter KW Ozon+Filte r TEG PAK KW TEG Ozon. KW PAK Simultan KW PAK+Filter KW Ozon+F r 12 mg/l Treibhauspotential PAK OWA Tegel KW Schönerlinde Ozon+Filter PAK+Filter Simultan GK 5 Kläranlage OWA (Brutto) Tegel Ozon Ozon+Filter PAK PAK+Filter GAK GAK PAK 2. Simultan Schicht Ozon PAK GAK Filter GAK 2. Schicht 8,4 mg/l 12, mg/l 12 mg/l 3 mg/l 48 mg/l 3 mg/l 48 mg/l OWA Kläranlage Tegel 4,84 mg/l 8,47 mg/l 12, 1 mg/l 4,88 mg/l 8,4 2 mg/l 12, 32 mg/l mg/l BV 2. 3 mg/l BV mg/l BV mg/l BV 2. 3 mg/l BV mg/l BV 7 mg/l 1 mg/l 8 mg/l 2 mg/l 32 mg/l 5. BV 2. BV 8. BV 5. BV 2. BV 8. BV NETTO Treibhauspotential,14 Kokosnussschalen StK,45 OWA Tegel,14,1,2,3,4,5,6,7,8 4 mg/l [kg CO 2 -eq/m³ Ablauf OWA Tegel] BrK Dr. Remy,1,2,3,4,5,6,7,8 [kg CO 2 -eq/m³ Ablauf OWA Tegel] 35

35 GAK 2. Schicht OWA Tegel GAK Filter PAK Ozon PAK simultan KW Schönerlinde PAK+ Filter Ozon+ Filter Ozon Spezifische Kosten 4,8 mg/l 8,4 mg/l 12, mg/l 4,8 mg/l 8,4 mg/l 12, mg/l 12 mg/l 3 mg/l 48 mg/l 12 mg/l 3 mg/l 48 mg/l 4 mg/l 7 mg/l 1 mg/l 8 mg/l 2 mg/l 32 mg/l 5. BV 2. BV 8. BV 5. BV 2. BV 8. BV,1,2,3,2,3,2,2,4,5,5,4,4,5,6,6,6,6,7,7,7,7,8,9,12 Kapitaldienst Energiekosten Personalkosten Betriebsmittel Schlammentsorgung Wiederbefüllung GAK Wartungskosten Dr. Sperlich,,5,1,15 Spezifische Kosten / m³ Ablauf OWA

36 OWA TEGEL KW SCHÖ AP 5: Verfahrensvergleich Verfahrensbewertung Bewertungsmatrix Ozon Ozon +Filter PAK +Filter PAK Simultan Ozon PAK GAK GAK (2.Schicht) weglassen? Kosten durchschnittlicher Eliminationsgrad [%] Labor Pilot g CO 2 /m³ OWA Ab. cent/m³ OWA Ab. ATS GAB IOP ACE PRI BEZ BTA MET SMX FAA DCF CBZ 4,8 mg/l X 8,4 mg/l mg/l ,8 mg/l X 8,4 mg/l mg/l mg/l X 3 mg/l mg/l mg/l X 3 mg/l mg/l mg/l X 7 mg/l mg/l mg/l X 2 mg/l mg/l BV X 2. BV BV BV X 2. BV Pilotversuch, ungeeignete Kohle 8. BV Legende 8% Entfernungsleistung: 4 - < 8% - < 4%

37 Fazit Spurenstoffe sind im urbanen Wasserkreislauf ubiquitär nachweisbar Erhebliche analytische Fortschritte in der Identifizierung und Quantifizierung Bestehende Barrieren wirksam für resistente Organismen Keine direkten ökotoxischen Effekte, keine gentoxischen Wirkungen Aktivkohle und Ozon wirksam für Spurenstoffentfernung, aber nicht für alle Spezifische Kosten von 3 12 /a und Einwohner Wirkungen auf Umwelt: Deutliche Erhöhung von z.b. Treibhauspotential 4

38 Ausblick Es wird sicherlich weitere Stoffbefunde geben Wieviel kann man den Quellen erreichen? Brauchen wir die vierte Reinigungsstufe? Auch eine Frage der kommenden Qualitätsziele auf EU- und nationaler Ebene Folgevorhaben Testtools: Entwicklung von validierten Testmethoden ohne Pilotanlagen für Ozon und Aktivkohlevarianten

39 Vielen Dank an alle Beteiligten Aki Sebastian Ruhl, Felix Meinel, Frederik Zietzschmann, Stephan Pflugmacher Lima, Nina Baur, Melanie Wenzel, Regina Gnirß, Alexander Sperlich, Uwe Dünnbier, Uta Böckelmann, Daniel Hummelt, Patricia van Baar, Florian Wode, Dietmar Petersohn, Tamara Grummt, Alexander Eckhardt, Wolfgang Schulz, Thorsten Reemtsma, Bettina Seiwert, Linda Schlittenbauer, Boris Lesjean, Ulf Miehe, Christian Remy, Michael Stapf, Daniel Mutz 42

40 Wir danken dem BMBF, der EU, dem Berliner Senat und den BWB für die Förderung der Vorhaben Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! EUROPÄISCHE UNION Europäischer Fonds für regionale Entwicklung Investition in Ihre Zukunft Partner