Technische Entwicklungen in der Abwasserreinigung zur Elimination von Spurenstoffen 14. Juni 2016 Dr. Steffen Metzger
Entwicklung der Abwasserreinigung 2000 2005 2010 2015 2020 Stand der Technik : mechanisch-biologische Reinigung mit gezielter Nährstoffelimination Parameter: CSB, N ges, P ges
Reinigungsleistung Kläranlagen Daten aus Baden-Württemberg: Quelle: 42. Leistungsvergleich der kommunalen Kläranlagen, DWA-Landesverband Baden-Württemberg (Betriebsjahr 2015) http://www.dwa-bw.de/tl_files/_media/content/pdfs/lv_baden-wuerttemberg/homepage/bw- Dokumente/Homepage%202013/Lehrerbereich/referate.2016/04_Schwentner.pdf
Verringerung in der Kläranlage [%] Reinigungsleistung Kläranlagen 100 200 180 160 140 120 1000-20 80 Max 75-Quantil Mittelwert Median 25-Quantil Min -40 60-60 40-80 20 0 Ibuprofen Diclofenac Carbamazepin Ibuprofen Diclofenac Carbamazepin Quelle: Bestandsaufnahme zur Spurenstoffsituation auf Kläranlagen in Baden-Württemberg, KomS-BW gefördert vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft BW Untersuchte Kläranlagen im Rahmen der Bestandsaufnahme zur Spurenstoffsituation in Baden-Württemberg
EDTA EDTA EDTA Acesulfam Acesulfam Acesulfam Metformin Metformin Metformin Benzotriazol Benzotriazol Benzotriazol Iomeprol Iomeprol Iomeprol Amidotrizoesäure Guanylharnstoff Iopamidol 4-Methylbenzotriazol Guanylharnstofharnstoff 4-Methylbenzotriazol Amidotrizoesäure Iopamidol Iopamidol Guanylharnstoff 4-Methylbenzotriazol Amidotrizoesäure Guanylharnstoff 4-Methylbenzotriazol Jahresfracht Jahresfracht [kg/a] [kg/a] Jahresfracht [kg/a] Spurenstoffvorkommen im Gewässer Mittlerer Abwasseranteil der beprobten Fließgewässermessstelle 30.000 30.000 30.000 25.000 25.000 25.000 20.000 20.000 20.000 15.000 15.000 15.000 10.000 10.000 10.000 5.000 5.000 5.000 0 0 0 Abflusssituation Neckar, Messstation Mannheim: Substanzen mit den 10 höchsten Jahresfrachten * * * * * * * Im Rahmen der Bestandsaufnahme der Spurenstoffsituation in der betrachteten Kläranlage * untersuchte Substanzen mit den sechs höchsten Ablaufkonzentrationen
Entwicklung der Abwasserreinigung 2000 2005 2010 2015 2020 Verfahrenseruierung und -entwicklung Biologisch - Optimierung bestehender Prozesse - spezialisierte Organismen Physikalisch - Nanofiltration - Umkehrosmose Oxidation - Ozon - AOPs Adsorption - Pulveraktivkohle - granulierte Aktivkohle - synthetische Adsorbentien
Entwicklung der Abwasserreinigung 2000 2005 2010 2015 2020 Funktionsprinzip Oxidation Adsorption Betriebsmittel Ozon Aktivkohle pulverförmige Aktivkohle granulierte Aktivkohle Quelle: www.neugut.ch Quelle: Firmenprospekt Norit Quelle: Firmenprospekt Norit
Vergleich Funktionsprinzip Oxidation Adsorption Ozon Aktivkohle Spurenstoffe werden durch Ozon zerstört, aber nicht mineralisiert Spurenstoffe werden an die Aktivkohle angelagert
DOC [mg/l] DOC DOC DOC [mg/l] [mg/l] SAK 254 [1/m] SAK 254 [1/m] Vergleich Funktionsprinzip Oxidation Ozon Adsorption Aktivkohle 12 12 18 18 10 10 15 15 SAK 254 [mg/l] 8 8 6 6 4 4 12 12 9 9 6 6 SAK 254 [mg/l] 2 2 3 3 spez. Ozonzugabe [mg O 3 / mg DOC] 0 0 Nullprobe 55 10 10 15 15 20 20 30 30 40 40 PAC-Dosiermenge [mg/l] Pulveraktivkohledosiermenge [mg/l] 0 0 Quelle: PILOTOX, Berlin, Darstellung modifiziert Quelle: KomS, Ergebnisse Rührversuch mit Aktivkohle Spurenstoffe werden durch Ozon zerstört, aber nicht mineralisiert Spurenstoffe werden an die Aktivkohle angelagert
Vergleich Reinigungsleistung >> Gegenüberstellung der Elimination >> von verschiedenen Substanzen mit Ozon / Pulveraktivkohle Quelle: Margot, J.; Kienle, C.; Magnet, A.; Weil, M.; Rossi, L.; Felippe de Alencastro, L.; Abegglen, C.; Thonney, D.; Chèvre, N.; Schärer, M.; Barry, D.A. (2013): Treatment of micropollutants in municipal wastewater: Ozone or powdered activated carbon?, Science of the Total Environment 2013, 461-462, S. 480-498.
Verfahrenstechniken Quelle: www.neugut.ch Ozon Ozonung Quelle: Firmenprospekt Norit Pulveraktivkohle Einrührverfahren Quelle: Firmenprospekt Norit Granulierte Aktivkohle Festbettfilter
Verfahrenstechniken Ozonung Anordnung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung
Verfahrenstechniken Ozonung Verfahrenstechnischer Aufbau: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung Komponenten: Reaktionsbecken mit Begasungszone und Abklingstrecke Ozonerzeuger Eintragsvorrichtung Abluftbehandlung MSR-Technik
Verfahrenstechniken Ozonung Aufgabe Nachbehandlung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung Biologischer Abbau von Umwandlungsprodukten
Verfahrenstechniken Ozonung Verfahrenstechnik Nachbehandlung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung biologisch wirksame Verfahren... Sandfilter Schönungsteich Wirbelbett Bildquelle: KomS Bildquelle: Kläranlage Havixbeck Bildquelle: http://wabag-wassertechnik.ch/de/abwasser/ Die Eignung weiterer Verfahren wird aktuell untersucht.
Verfahrenstechniken Ozonung Umsetzung: Biologische Stufe Ozonung Nachbehandlung Metzger et al. (2015): Status quo der Erweiterung von Kläranlagen um eine Stufe zur gezielten Spurenstoffelimination, wwt-modernisierungsreport 2015/16
Verfahrenstechniken Ozonung Umsetzung: KA Bad Sassendorf KA Duisburg-Vierlinden ARA Neugut
Verfahrenstechniken Ozonung Reinigungsleistung: Quelle: Korrelation der Elimination der 12 Leitsubstanzen über die ganze ARA mit dem UV-Wert in der Ozonung. Ergebnisse eines Stufenversuchs auf der ARA Neugut bei Trockenwetter: Die Leitsubstanzen wurden in der 24h-Mischprobe analysiert >> Erkenntnisse ARA Neugut << Mit BEAR lässt sich ein stabiler UV-Wert mit einer geringen Bandbreite von ± 2% einstellen
Verfahrenstechniken Quelle: www.neugut.ch Ozon Ozonung Quelle: Firmenprospekt Norit Pulveraktivkohle Einrührverfahren Quelle: Firmenprospekt Norit Granulierte Aktivkohle Festbettfilter
Grundsätze zur Anwendung von Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle einstufig simultane Anwendung biologische Stufe Pulveraktivkohle zweistufig nachgeschaltete Anwendung biologische Stufe nachgeschaltete Stufe
Grundsätze zur Anwendung von Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle Reinigungsstufe Reaktionsraum Trennapparat Entnahme Entnahme 3,5 Entnahme durch aufkonzentrierte Pulveraktivkohle Anreicherung der Pulveraktivkohle notwendig Wirkung frische Pulveraktivkohle 0 Zeit 0 450 t = 1 h t = 24 h
Grundsätze zur Anwendung von Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle Bildquelle: KomS BW Pulveraktivkohle Bildquelle: Baggenstos, M. (WABAG): PAK-Direktdosierung <<in>> den Sandfilter, VSA-Tagung Emmetten 2016
Verfahrensmodifikationen Pulveraktivkohleanwendung + Metallsalze + Polymer Pulveraktivkohle Adsorptionsstufe Ulmer Verfahren Pulveraktivkohle Pulveraktivkohle + Polymer Pulveraktivkohle Einsatz von Membranen (UF) z.b. Projekt Aquapure Abtrennung mittels Flotation z.b. Projekt PAK-Flotation
Verfahrensformen zur Pulveraktivkohleanwendung >> Dosierung von Pulveraktivkohle in eine separate Adsorptionsstufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter PAK
Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: KA Steinhäule, Neu-Ulm KA Böblingen-Sindelfingen
Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: ARA Herisau KA Dülmen Bildquelle: http://www.daserste.de/information/wissen-kultur/w-wie-wissen/sendung/wasser-144.html Bildquelle: Hanspeter Butz, Präsentation ARA Herisau KA Mannheim, adsorptiver Teilstrombetrieb 2010-2015
Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: KA Kressbronn-Langenargen KA Stockacher Aach KA Langwiese, Ravensburg
Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Umsetzung: KA Laichingen KA Lahr KA Mannheim, Stand 06/2016
Entnahme Eliminationsrate Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Reinigungsleistung: Adsorptionsstufe Filter Spurenstoffentnahme im System PN PAC PN mittlere Dosiermenge = 10 mg/l Pulveraktivkohle 100% max 80% 75%-Q. Median 25%-Q. 60% min 40% 20% KA_A, GK 4 (2012-2015, n=13) KA_B, GK 4 (2012-2015, n=18) KA_C, GK 5 (2012-2015, n=18) KA_D, GK 5 (2011-2013, n=29) 0% Carbamazepin Diclofenac Metoprolol Benzotriazol
Spurenstoffentfernung [%] Spurenstoffentfernung [%] Pulveraktivkohleanwendung Ulmer Verfahren Reinigungsleistung: 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 100 90 80 70 60 Metoprolol 50 Carbamazepin 40 Diclofenac Diclofenac 30 Benzotriazol 20 Iopamidol 10 0 0 0 20 20 40 40 60 60 80 80 100 100 SAK 254nm-Rückgang [%] SAK 254nm-Rückgang [%] vgl. Rößler, A.; Metzger, S.: Application of SAC254 measurement for the assessment of micropollutant removal in the adsorptive treatment stage of a municipal wastewater treatment plant. Water, practice and technology, Vol 11, Issue 2 (in preparation)
Verfahrensformen zur Pulveraktivkohleanwendung >> Dosierung von Pulveraktivkohle in eine separate Adsorptionsstufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter PAK >> Dosierung von Pulveraktivkohle vor einen Filter Biologische Stufe PAK Filter
Pulveraktivkohleanwendung Dosierung vor einen Filter Halbtechnische Untersuchungen - Ulm/Neu-Ulm - EAWAG - Kloten-Opfikon - Lausanne - Berlin - Stuttgart Versuchsfiltersäule HKW Mühlhausen
Quelle: https://www.lanuv.nrw.de/uploads/tx_mmkresearchprojects/abschlussbericht_mikroflock.pdf Pulveraktivkohleanwendung Dosierung vor einen Filter Halbtechnische Untersuchungen Großtechnische Untersuchungen - Ulm/Neu-Ulm - EAWAG - Kloten-Opfikon - Lausanne KA Buchenhofen, Wuppertal - Berlin - Stuttgart - Kloten-Opfikon - Wuppertal - Sissach KA Kloten-Opfikon Quelle: https://www.eawag.ch/fileadmin/domain1/abteilungen/eng/projekte/abwasser/aktivkohle/abschlussbericht_aktivkohle.pdf ARA Ergolz, Sissach
Pulveraktivkohleanwendung Dosierung vor einen Filter Halbtechnische Untersuchungen - Ulm/Neu-Ulm - EAWAG - Kloten-Opfikon - Lausanne - Berlin - Stuttgart Belebung Großtechnische Untersuchungen - Kloten-Opfikon - Wuppertal - Sissach Realisierung in Kürze - ARA Schönau Nachklärung https://www.zg.ch/behoerden/weitere-organisationen/gvrz/klaeranlage-schoenau Filter
Verfahrensformen zur Pulveraktivkohleanwendung >> Dosierung von Pulveraktivkohle in eine separate Adsorptionsstufe Biologische Stufe Adsorptionsstufe Filter PAK >> Dosierung von Pulveraktivkohle vor einen Filter Biologische Stufe PAK Filter >> Simultandosierung Biologische Stufe PAK Filter
Bildquelle: JIB Jedele und Partner Bildquelle: Thomann, IB Holinger, Versuche auf der ARA Wetzikon, CH Bildquelle: KomS BW Pulveraktivkohleanwendung Simultandosierung Halbtechnische Untersuchungen - KA Steinhäule, Neu-Ulm - ARA Schönau Großtechnische Untersuchungen - ARA Wetzikon - KA Emmingen-Liptingen ARA Schönau ARA Wetzikon KA Kloten-Opfikon KA Emmingen-Liptingen
Verfahrenstechniken Quelle: www.neugut.ch Ozon Ozonung Quelle: Firmenprospekt Norit Pulveraktivkohle Einrührverfahren Quelle: Firmenprospekt Norit Granulierte Aktivkohle Festbettfilter
Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Anordnung: Biologische Stufe Filter (optional) Suspensarückhalt granulierter Aktivkohlefilter
Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Ausbildung: Biologische Stufe Filter (optional) Suspensarückhalt granulierter Aktivkohlefilter >> offene Filter Nutzung bestehender Filterkammern Zulauf Ablauf Spülabwasser Spülabwasser abwärts durchströmt Ablauf Zulauf aufwärts durchströmt Bildquelle: P. Wunderlin, eawag; Untersuchungen zum Einsatz von granulierter Aktivkohle auf der ARA Bülach [CH]
Bildquelle: IB Jedele und Partner Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Ausbildung: Biologische Stufe Filter (optional) Suspensarückhalt granulierter Aktivkohlefilter >> kontinuierlich arbeitender Aktivkohlefilter Luft Zulauf Ablauf Spülwasser GAK GAK granulierte Aktivkohle Bildquellen: www.nordic-water.de
Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Reinigungsleistung - Betriebsweise: [m³ Abwasser / m³ GAK] Quelle: Fleiner, J., Joss, A.; Böhler, M.; McArdell, C.; Siegrist, H.: Einsatz von granulierter Aktivkohle (GAK / O 3 +GAK) zur Elimination von Mikroverunreinigungen. Vortrag beim VSA-Fortbildungskurs Mikroverunreinigungen vom 01.-03.06.2016 in Emmetten. Veröffentlicht in den Tagungsunterlagen
Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Reinigungsleistung - Betriebsweise: [m³ Abwasser / m³ GAK] Quelle: Fleiner, J., Joss, A.; Böhler, M.; McArdell, C.; Siegrist, H.: Einsatz von granulierter Aktivkohle (GAK / O 3 +GAK) zur Elimination von Mikroverunreinigungen. Vortrag beim VSA-Fortbildungskurs Mikroverunreinigungen vom 01.-03.06.2016 in Emmetten. Veröffentlicht in den Tagungsunterlagen
Verfahrenstechniken granulierte Aktivkohle Aktueller Stand: Metzger et al. (2015): Status quo der Erweiterung von Kläranlagen um eine Stufe zur gezielten Spurenstoffelimination, wwt-modernisierungsreport 2015/16 KA Obere Lutter KA 2016 (63) Nr. 3 KA 2016 (63) Nr. 4 Auswertung von 34 Studien
Verfahrensentwicklung 2000 2005 2010 2015 2020 Verfahren zur Anwendung von Aktivkohle Neue Technologien Verfahrenskombinationen Bildquelle: http://www.changemanagerin.de/?page=9
Verfahrensentwicklung >> Verfahren zur Anwendung von Aktivkohle Mikro-GAK http://www.saur.com/wp-content/uploads/2015/04/carboplus_eu_2013.pdf Pilotversuch ARA Penthaz, Foto A. Joss
Verfahrensentwicklung neue Technologien Elektrochemische AOP mit Diamantelektrode Biologischer Abbau durch Eisen-/Mangan-oxidierende Bakterien Oxidation mit UV/H 2 O 2 Adsorption und EAOP Chemische Oxidation mit Ferrat
Verfahrensentwicklung Verfahrenskombinationen >> Ozon und Aktivkohle + Bildquelle: Schachtler, ARA Neugut Bildquelle: KomS BW
Verfahrensentwicklung Verfahrenskombinationen >> Ozon und Aktivkohle Ozon vor granulierter Aktivkohle - granulierte Aktivkohle als Nachbehandlung für die Ozonung? - Zusatzeffekte für die granulierte Aktivkohle? - Umfangreichere Spurenstoffentnahme? - Längere Standzeit der Aktivkohle? - Kosten-Nutzen-Aufwand? Ozon und Pulveraktivkohle Schussenaktivplus: KA Eriskirch (BW) ARA Bülach (CH) KA Fa. Boehringer, Biberach a.d. Riß (BW) KA Weißenburg (BY) KA Detmold (NRW) KA Wien Limitierte Ozondosierung aufgrund der Bildung von Sekundärprodukten (z. B. durch Bromid im Zulauf zur Ozonung) Versuchsstandorte Pilotversuch ARA ProRheno, Basel (CH)
Zusammenfassung 2000 2005 2010 2015 2020 Stand der Technik: mechanisch-biologische Reinigung mit Nährstoffelimination Verfahrenseruierung und -entwicklung: Betriebsmittel: Ozon und Aktivkohle Ausbau von Kläranlagen um eine Stufe zur Spurenstoffelimination Verfahrensmodifikationen und neue Technologie Fragestellung Betriebsalltag, Optimierung der Verfahren, Entwicklung von Bemessungsansätzen Spurenstoffelimination auf Kläranlagen Stand der Technik!?!
HERZLICHEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT