Planung - Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW

Kompetenzzentrum
Mikroschadstoffe.NRW
Anleitung zur Planung
und Dimensionierung
von Anlagen zur
Mikroschadstoffelimination
Stand 20.03.2015
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
3
Vorwort
Mikroschadstoffe und deren Verminderung stellen
aus Sicht vieler Institutionen, wie dem Umweltbundesamt (UBA), der Internationalen Kommission
zum Schutz des Rheins (IKSR), der Bundesanstalt
für Gewässerkunde (BfG), vieler Forschungseinrichtungen und auch der Landesregierung Nordrhein-Westfalen eine der großen wasserwirtschaftlichen Herausforderungen der nächsten Jahre dar.
Große Mengen an Chemikalien und Abbauprodukten belasten Oberflächen- und Grundwasser
nahezu weltweit und beschädigen empfindliche
Organismen wie Fische dauerhaft. Das Gewässer
übernimmt eine größere Rolle in diesem Geschehen, da es als ein wichtiges Transportmittel wirkt.
Sofern Mikroschadstoffe, wie beispielsweise Perfluorierte Tenside (PFT), sich anreichern und in die
Nahrungskette gelangen, stellen sie auch für den
Menschen ein gesundheitliches Risiko dar.
Das Thema Mikroschadstoffe hat in NRW insbesondere seit den PFT-Funden in der Ruhr eine
herausragende Bedeutung. Die Landesregierung
hat deshalb bereits im Jahr 2008 das Projekt
„Programm Reine Ruhr – zur Strategie einer nachhaltigen Verbesserung der Gewässer- und Trinkwasserqualität in Nordrhein-Westfalen“ (MKULNV,
2014) durchgeführt. Die umfangreichen Gewässeruntersuchungen ergaben eine erhebliche Belastung der Gewässer mit Mikroschadstoffen. NRW ist
neben Berlin und Baden-Württemberg eines von
drei Bundesländern, in denen Trinkwasser vorwiegend aus Oberflächengewässern gewonnen wird
(in NRW rund 60 % des Trinkwassers), was die Befunde an dieser Stelle besonders relevant macht.
Dem muss bei Bewirtschaftungsentscheidungen
Rechnung getragen werden.
Aktuell kann in 90 % der Gewässer in NRW ein
guter ökologischer Zustand nicht erreicht werden.
Die kommunalen Kläranlagen gehören heute zu
den bedeutenden Eintragspfaden von Mikroschadstoffen in Oberflächengewässer, da die konven-
tionellen Reinigungsverfahren nur eine begrenzte
Elimination ermöglichen. Da alle Stoffe, die als
Mikroschadstoffe die Gewässer belasten, nicht
ersetzt oder verboten werden können, muss ein
Multi-Barrieren-Konzept implementiert werden.
Die Umrüstung der kommunalen Kläranlagen zur
gezielten Mikroschadstoffelimination kann bei
der Erreichung von Bewirtschaftungszielen nicht
zwangsläufig alleine die Lösung sein, gilt jedoch
unter aktuellen Umständen als ein unverzichtbarer
Teil eines Multibarrierenkonzepts.
Es besteht derzeit keine technische Richtlinie für
die Auslegung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination. Einige Fragen zur effizienten Planung
solcher Anlagen sind noch nicht abschließend geklärt. In NRW sind jedoch bereits großtechnische
Anlagen zur Mikroschadstoffentfernung aus dem
kommunalen Abwasser in Betrieb bzw. im Bau. Das
Umweltministerium NRW veranlasste daher, dass
auf Basis vorliegender Ergebnisse und bestehender Erfahrungen allgemeine Auslegungsempfehlungen für den Bau derartiger Anlagen erarbeitet
werden, die zukünftig bei zu bewilligenden und
geförderten Baumaßnahmen zur Mikroschadstoffelimination in NRW herangezogen werden können.
Die nachstehenden Empfehlungen basieren im
Wesentlichen auf Erfahrungen nordrhein-westfälischer Ingenieurbüros und deren Ergänzung um die
nationalen und internationalen Erkenntnisse aus
der Literatur. Die Elimination von Mikroschadstoffen
bleibt weiterhin ein aktueller Forschungsbereich.
Die Ergebnisse gegenwärtiger und künftiger Untersuchungen sollen kontinuierlich in die Anleitung
eingearbeitet werden.
4
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Bearbeitung
Das Umweltministerium NRW lud an der Planung
und am Bau beteiligte Ingenieurbüros zu einem
Erfahrungsaustausch ein, der vom Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW (KOM-M.NRW) organisiert und durchgeführt wurde.
Folgende Repräsentanten unterschiedlicher
Ingenieurbüros haben beim Erfahrungsaustausch mitgewirkt:
• Klaus Alt,
HYDRO-INGENIEURE-Planungsgesellschaft für
Siedlungswasserwirtschaft mbH, Düsseldorf
• Dr. Silvio Beier,
PFI Planungsgemeinschaft GbR, Hannover
•Dr. Norbert Biebersdorf,
Tuttahs & Meyer Ingenieurgesellschaft, Bochum
• Kristina Haber,
DAHLEM Beratende Ingenieure GmbH & Co.
Wasserwirtschaft KG, Essen
• Dr. Jan Mauriz Kaub,
Tuttahs & Meyer Ingenieurgesellschaft, Bochum
• Dr. Jens Knollmann,
Ingenieurgesellschaft Dr. Knollmann mbH,
Hannover
• Dr. Matthias Krüger,
Pöyry GmbH, Essen
• Dr. Christian Mauer,
HYDRO-INGENIEURE-Plangesellschaft für
Siedlungswasserwirtschaft mbH, Düsseldorf
• Christian Maus,
Grontmij GmbH, Köln
• Dr. Tobias Rocktäschel,
GFM Beratende Ingenieure GmbH, München
• Doris Schäpers,
ATEMIS GmbH
• Frank Schlösser,
ATEMIS GmbH
• Fernando Urueta,
Tuttahs & Meyer Ingenieurgesellschaft, Bochum
• Alexander Voigt,
DAHLEM Beratende Ingenieure GmbH & Co. Wasserwirtschaft KG, Essen
• Frank Waermer,
Dipl.-Ing. Martin Danjes GmbH
Folgende Teilnehmer haben als Gäste beim
Erfahrungsaustausch mitgewirkt:
• Dr. Demet Antakyalı
KOM-M.NRW
• Marcus Bloser,
Moderator der Workshopveranstaltungen
KOM-M.NRW
• Dr. Kurt Harff,
LANUV NRW
• Dr. Heinrich Herbst
KOM-M.NRW
• Dr. Gerd Kolisch,
WiW Wupperverbandsgesellschaft mbH
• Dr. Gerta Mentfewitz,
LANUV NRW
• Yannick Taudien,
WiW Wupperverbandsgesellschaft mbH
• Dr. Romi Sasse
KOM-M.NRW
• Dr. Jochen Türk
KOM-M.NRW
• Dr. Stefanie Wolter,
LANUV NRW
Die Ergebnisse des Erfahrungsaustauschs sowie
die Anmerkungen im Nachgang zu den Veranstaltungen hat das Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW redaktionell zusammengefasst und
überarbeitet.
Neben den Teilnehmern aus dem Bereich Consulting haben auch die Bezirksregierungen NRW, das
LANUV NRW und die zum Thema spezialisierten
Fachleute aus Deutschland und aus der Schweiz
Stellungnahmen und Anmerkungen geschickt.
Bei der Einarbeitung der Rückmeldungen in die
Handlungsempfehlungen wurden auch die aktuellen Fachbeiträge aus den deutschsprachigen Fachzeitschriften Korrespondenz Abwasser (KA) und
Korrespondenz Wasserwirtschaft (KW) bzw. den
2014 stattgefundenen Tagungen berücksichtigt.
Diese wurden als Referenzen eingefügt.
Diese überarbeitete Version stellte die Diskussionsgrundlage nach dem zweiten Workshop dar.
Die Ergebnisse wurden in die vorliegenden Auslegungsempfehlungen eingearbeitet.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
5
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung
6
2
Grundlagen zur Verfahrensauswahl und Auslegung
8
2.1 Abwassereigenschaften
8
2.1.1 Standard-Abwasserparameter
8
2.1.2 Screening der Mikroschadstoffe
8
2.2 Auslegungswassermenge
12
2.3 Eliminationsraten
12
2.4 Kriterien zur Verfahrenswahl
13
3
Auslegung von Ozonanlagen
14
3.1
14
3.2 Ozonerzeugung
14
3.3 Ozonreaktor
15
3.4 Ozoneintrag
16
3.5 MSR-Technik
17
3.6 Nachbehandlung
17
4
Auslegung von Pulveraktivkohleanlagen (PAK)
18
4.1 Einbindung der PAK-Stufe
18
4.2 Kohlebedarf
19
4.3 Kontaktbecken
19
4.4 MSR-Technik
20
4.5 PAK-Rückhalt
20
4.6 PAK-Entsorgung
20
5
Auslegung eines Filters mit granulierter Aktivkohle (GAK)
22
5.1
22
5.2 Auslegung des Filters
22
5.3 Filterbeladung
23
5.4 Austausch der GAK
23
6
Energiebedarf
24
7
Betrieb
26
8
Kosten
27
9
Fazit
29
9.1 Motivation
29
9.2 Vorbehandlung
29
9.3 Ozonanlagen
29
9.4 PAK-Anlagen
30
9.5 GAK-Filter
30
Einbindung der Ozonungsstufe
Einbindung der GAK-Stufe
10 Literatur
31
6
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Einleitung
1
Zum Schutz der Gewässerökosysteme und Trinkwasserressourcen ist eine gute Wasserqualität
der Oberflächengewässer erforderlich. Durch die
industriellen Entwicklungen sowie die im letzten
Jahrzehnt verbesserten analytischen Methoden
sind die Akteure des Umweltmanagements immer
mehr auf Mikroschadstoffe aufmerksam geworden. Mikroschadstoffe stammen u. a. aus Arzneimittelrückständen und Industriechemikalien. Eine
Substitution ist nicht immer möglich. Die Auswirkungen der Mikroschadstoffe in der Umwelt
sind noch zum großen Teil unbekannt, jedoch
rechtfertigen die bereits bekannten Effekte sowie
die absehbare Weiterentwicklung der chemischen
Industrie Maßnahmen gegen den Eintrag der
Mikroschadstoffe ins Gewässer. Die Lösung kann
nur durch ein Multi-Barrieren-Konzept, bestehend
aus Vermeidungsstrategien und Eliminationsmaßnahmen, erreicht werden, wobei Kläranlagen eine
wichtige Rolle als Barriere übernehmen.
Die konventionelle mechanisch-biologische Abwasserreinigung nach dem heutigen Stand der
Technik ist nicht darauf ausgelegt, Mikroschadstoffe
gezielt aus dem Abwasser zu entfernen. Auch
wenn einige Substanzen durch ein konventionelles Verfahren abgebaut werden können, werden
einige andere Stoffe nicht oder nur unzureichend
eliminiert. Als Folge stellen die kommunalen Kläranlagen die bedeutendsten Eintragspfade von
Mikroschadstoffen in Oberflächengewässer dar.
Die Umrüstung der Kläranlagen zur Barriere für
Mikroschadstoffe ist nur durch zusätzliche Verfahrensschritte möglich. Aufgrund der Vielzahl der
Stoffe und Anwendungen sind diese Maßnahmen
auf Kläranlagen ein wesentlicher Schritt, um den
Eintrag von Mikroschadstoffen in die Gewässer
wirkungsvoll zu reduzieren.
Als Ergebnis bisheriger wissenschaftlicher und
technischer Studien haben sich zwei Technologien,
die Oxidation durch Ozon und die Aktivkohleadsorption, als wirtschaftlich und effizient umsetzbar
herausgestellt. Diese Verfahren sind aus dem Bereich der Trinkwasseraufbereitung lange bekannt.
Die Herausforderung liegt jedoch darin, die Verfahren an die Anforderungen der Abwasserreinigung anzupassen bzw. sowohl technisch als auch
wirtschaftlich effizient auzulegen, zu bauen und zu
betreiben.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Einleitung
Die vorliegende Arbeit bringt die bestehenden
Kenntnisse und praktische Erfahrungen zusammen, um die grundlegenden Fragen zur Mikroschadstoffelimination möglichst umfassend zu
beantworten. Ziel ist es, dass die Anlagen nach
dem Stand der Kenntnisse derart geplant und betrieben werden, dass eine effektive Elimination der
meisten Mikroschadstoffe mit vertretbaren Kosten
erzielt wird. In Kapitel 2 werden die allgemeinen
Auslegungskriterien wie Abwassereigenschaften,
Auslegungswassermenge, zu untersuchende Stoffe,
Festlegung und Bestimmung der Eliminationsraten und die Verfahrensauswahl diskutiert. In den
darauf folgenden drei Kapiteln werden die verfahrensspezifischen Kriterien aufgeführt. Die letzten
Kapitel beziehen sich auf den Energiebedarf, den
Betrieb und die Kosten.
7
Das Papier soll für die Akteure aus der Planung,
dem Bau und dem Betrieb als Wegweiser dienen.
Wie bereits im Vorwort aufgeführt, ist das Thema
Mikroschadstoffe ein aktueller Forschungsbereich
und dieses Papier kann künftig durch neue Erkenntnisse ergänzt werden.
1
8
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Grundlagen zur Verfahrensauswahl
und Auslegung
2.1 Abwassereigenschaften
2
2.1.1 Standard-Abwasserparameter
Die standortspezifischen Abwassereigenschaften sind zur fundierten Verfahrensauswahl und
späteren Auslegung der Anlage zur Mikroschadstoffelimination unbedingt zu berücksichtigen.
Erforderlich hierfür ist die Untersuchung des zu
behandelnden Kläranlagenablaufs. Die Untersuchung des Zulaufs zur biologischen Reinigungsstufe ist bei der Implementierung von Teilstromprozessen bzw. der Zugabe von Aktivkohle in die
biologische Reinigungsstufe erforderlich.
Grundsätzlich ist eine gut funktionierende Kläranlage mit niedrigen Ablaufwerten (DOC, CSB,
AFS) die beste Voraussetzung für eine effiziente
Mikroschadstoffelimination bei freier Verfahrensauswahl. Hohe Feststoffgehalte können besonders
für Aktivkohleverfahren problematisch sein. Zur
Prüfung der Umsetzbarkeit einer Ozonung ist die
Bromidkonzentration des Abwassers im Vorfeld
zu ermitteln, da aus Bromid durch Ozon kanzerogenes Bromat gebildet werden kann. Die Nitritkonzentration soll ebenfalls überprüft werden, da
durch die Oxidation von Nitrit zu Nitrat die Ozonzehrung erhöht und somit die Wirtschaftlichkeit
der Ozonung negativ beeinflusst werden kann.
2.1.2 Screening der Mikroschadstoffe
Neben den Standardparametern ist ein Mikroschadstoff-Screening im Zulauf zur biologischen
Reinigungsstufe und im Ablauf der Kläranlage
durchzuführen, das auf die standortspezifischen
Bedingungen, z. B. infolge von Indirekteinleitern
und die Vorbelastung des Gewässers, abgestimmt
ist. Den Mikroschadstoffen ist eine extrem hohe
Anzahl an Stoffen mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften und somit
variierender Umweltrelevanz bzw. Eliminierbarkeit
zugeordnet. Die Analytik für jeden einzelnen Stoff
ist aus Kostengründen nicht durchführbar. Daher
werden für analytische Untersuchungen meist
wenige Stoffe, die für die Belastungssituation repräsentativ sind, ausgewählt.
Aktuell sind verschiedene Empfehlungen zur Auswahl von Einzelsubstanzen vorhanden. Einen Überblick dazu bietet Tabelle 1. Das Kompetenzzentrum
Spurenstoffe BW hat eine gestaffelte Empfehlung
erarbeitet (siehe Spalte KomS). In Stoffliste A ist
eine Substanzauswahl für eine Vergleichskontrolle
der Belastung der Kläranlage mit Mikroschadstoffen
gegeben. Die Stoffliste B1 beinhaltet die Substanzauswahl zur Überprüfung der Mikroschadstoffelimination (KomS-BW, 2014).
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Grundlagen zur Verfahrensauswahl und Auslegung
9
Tabelle 1
Überblick zur Substanzauswahl
Stoff
Stoffgruppe
KomS
TP6
CH
RiSKWa
Bemerkung
n
Biologische Reinigung
A
B1
Ibuprofen
n
n
Metoprolol
n
n
n
Arznei
Carbamazepin
n
n
n
n
n
mittel-
Diclofenac
n
n
n
n
n
Sulfamethoxazol
n
n
n
n
Metabolit DHH
n
wirkstoffe
Ciprofloxacin
n
n
Iohexol
n
n
kontrastmittel
Iomeprol
n
n
(RKM)
Iopromid
n
n
Iopamidol
n
n
17-alpha-Ethinylestradiol
n
17-beta-Estradiol
n
Estron
n
Carbendazim
n
Mecoprop
n
DEET
n
Terbutryn
n
Korrosions-
1H-Benzotriazol
n
schutzmittel
Σ 4- und 5-Methylbenzotriazol
n
EDTA
n
NTA
n
DTPA
n
Melamin
n
PFBA
n
PFOA
n
PFBS
n
PFOS
n
AHTN (Tonalide)
n
HHCB (Galoxolide)
n
TCEP
n
TCPP
n
Acesulfam
n
Röntgen-
Östrogene
Biozide /PSMWirkstoffe
Komplexbildner
Industriechemikalien
PFC
synth.
Duftstoffe
Flammschutzmittel
synth.
Süßstoffe
relevanter PNEC-Wert
n
Amidotrizoesäure
nach heutigem Stand keine
toxische Wirkung auf
aquatische Lebewesen;
regionale Anwendungsunterschiede sind zu
beachten
instrumentelle NG über
vorgeschlagene UQN, ggf.
wirkungsbezogene Analytik
zu östrogenen Effekten
(A-YES, YES oder ER CALUX)
n
n
n
n
n
n
niederschlagswasserbürtige
Mikroverunreinigungen,
Siedlungsflächen
2
n
geringe Relevanz, hoher
PNEC-Wert
bei entsprechenden
Indirekteinleitern wie
z. B. aus der metallbeund verarbeitenden
Industrie
n
n
n
geringe Relevanz,
hoher PNEC-Wert
n
n
Indikator für häusliches
Abwasser
10
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Grundlagen zur Verfahrensauswahl und Auslegung
Im Forschungsprojekt „Elimination von Arzneimittelrückständen in kommunalen Kläranlagen“ (Arge
TP 6, 2013) wurden auf Grundlage der Forschungsergebnisse, der aktuell diskutierten zukünftigen
Umweltqualitätsnormen (UQN), der PNEC-Werte
(Predicted No Effect Concentrations) und der
erreichbaren Nachweisgrenzen sinnvolle Leitparameter aus einem umfassenden Stoffspektrum für
Untersuchungen in Forschungsprojekten oder zur
Verfahrensbewertung empfohlen (Spalte TP 6).
Diese sind bei der Auswahl zu beachten. Weitere
Ergänzungen der Parameterliste können in Abhängigkeit der jeweiligen ortspezifischen Randbedingungen erfolgen.
In der im Auftrag des Schweizer Bundesamtes für
Umwelt (BAFU) durchgeführten „Studie zur Beurteilung von Mikroschadstoffen aus kommunalem
Abwasser“ wurde eine Gruppe von weit verbreiteten Stoffen (Spalte CH) als Indikatorsubstanzen
vorgeschlagen, welche in der mechanisch-biologischen Reinigung der Abwasserreinigungsanlagen (ARA) nicht oder nur ungenügend abgebaut
werden (Götz et al., 2010). Diese Stoffe sind heute
weitgehend als die „Schweizer Liste“ bekannt und
werden in der Schweiz aktuell zur Überwachung
der Mikroschadstoffelimination diskutiert.
2
Im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme RiSKWa
wurde im Querschnittsthema „Indikatorsubstanzen“
der Leitfaden „Polare organische Spurenstoffe als
Indikatoren im anthropogen beeinflussten Wasserkreislauf“ entwickelt (Jekel und Dott, 2013). Einige
Indikatorsubstanzen beziehen sich jedoch auf
diffuse Einträge in Oberflächengewässer und sind
somit nicht in Tabelle 1 aufgelistet. Neben den Indikatorsubstanzen zur Charakterisierung der Spurenstoffeinträge in Oberflächengewässer werden
auch Indikatoren zur Charakterisierung der Adsorbierbarkeit der Stoffe an Aktivkohle, zur Ozonung
oder zur Beurteilung der biologischen Reinigung
angegeben. Diese Substanzen (Spalte RiSKWa)
sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt.
Auf Grundlage der Zusammenstellung zur Substanzauswahl in Tabelle 1, der Relevanz der Substanzen im Hinblick auf das Vorkommen in kommunalen Kläranlagen sowie der vorgeschlagenen UQN
und PNEC-Werte, der Bestimmungsgrenzen der
instrumentellen Analytik und der Überschaubarkeit der Analysenkosten wird empfohlen, im ersten
Screening mindestens die in Tabelle 2 aufgelisteten Stoffe aus verschiedenen Substanzgruppen zu
berücksichtigen.
Arzneimittelwirkstoffe können in allen Kläranlagenabläufen in Konzentrationen, die um ein Vielfaches über den Wirkschwellenkonzentrationen
liegen, nachgewiesen werden. Derzeit existieren
keine Grenzwerte für diese Stoffe. Lediglich die
Östrogene 17α-Ethinylestradiol (EE2) und 17β Estradiol (E2) sowie das Schmerzmittel Diclofenac
wurden von der europäischen Kommission auf
eine sogenannte Beobachtungsliste („watch list“)
aufgenommen und sollen in den nächsten Jahren
regelmäßig in Oberflächengewässern überwacht
werden. Da Kläranlagenabläufe die Haupteintragsquelle dieser Stoffe in die Gewässer darstellen,
empfiehlt sich eine Messung der Stoffe bereits im
Ablauf der Kläranlage. Bei den Arzneimittelwirkstoffen sind viele Substanzen gut bis sehr gut eliminierbar, aber auch einige Wirkstoffe, welche sich
mittels Ozon oder Aktivkohle nur schlecht aus dem
Abwasser entfernen lassen. Als Bestimmungsgrenze
für Pharmaka sollten 0,001 - 0,01 µg/L erzielt
werden.
Neben der Analytik der Arzneimittelwirkstoffe
ist auch die Untersuchung auf das Korrosionsschutzmittel 1H-Benzotriazol als sinnvoll anzusehen. Dieses Korrosionsschutzmittel findet häufig in
Spülmaschinentabs Anwendung und kommt dementsprechend in Konzentrationen von mehreren
µg/L in Kläranlagenabläufen vor. In Oberflächengewässern liegen die Konzentrationen um mehr
als das 10-fache über dem GOW (Gesundheitlicher
Orientierungswert) von 0,1 µg/L. Auch ist das
Korrosionsschutzmittel mittels Ozon erst ab einer
Zugabe von mittleren bis hohen Ozondosen in ausreichender Effektivität aus dem Abwasser zu entfernen. Als Bestimmungsgrenze sollen 0,01 µg/L
erreicht werden.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Grundlagen zur Verfahrensauswahl und Auslegung
11
Tabelle 2
Vorschlag zu Substanzen beim ersten Screening
Substanzgruppe
Substanz(en)
Arzneimittelwirkstoffe
Carbamazepin, Ciprofloxacin, Diclofenac, Metoprolol und
Sulfamethoxazol
Östrogene
Anstelle der derzeit noch nicht ausreichend empfindlichen
instrumentellen Analytik auf einzelne Wirkstoffe wird die summarische Erfassung der östrogenen Effekte mittels wirkungsbezogener Analytik (A-YES, YES oder ER CALUX) empfohlen.
Pestizide
Mecoprop, altern. Isoproturon (Herbizid), Terbutryn (Biozid)
Korrosionsschutzmittel
1H-Benzotriazol
Moschusduftstoffe
Galaxolide (HHCB)
Perfluorierte Tenside
PFOA, PFOS bei entsprechenden Indirekteinleitern
wie z. B. metallbe- und verarbeitende Industrie
Die Überwachung der Östrogene sollte derzeit
mittels summarischer Erfassung der östrogenen
Aktivität erfolgen, da die Nachweisgrenzen der instrumentellen Analytik der Einzelstoffe nicht in den
erforderlichen Konzentrationsbereich im unteren
pg/L-Bereich kommen. Östrogene Effekte durch
den Wirkstoff der Antibabypille 17-α Ethinylestradiol
sind jedoch bereits in der Umwelt nachgewiesen.
Die Verweiblichung der Fische ist direkt auf diesen
Wirkstoff zurückzuführen. Eine Überwachung des
Kläranlagenablaufs ist also zwingend zu empfehlen.
Die Analyse der perfluorierten Tenside PFOS und
PFOA soll bei entsprechenden Indirekteinleitern
wie z. B. der metallbe- und verarbeitenden Industrie durchgeführt werden. Bei rein kommunalem
Abwasser kann auf eine Analytik dieser Stoffgruppe
meist verzichtet werden.
Das Herbizid Mecoprop wird häufig gegen breitblättrige Unkräuter wie Disteln oder Löwenzahn
eingesetzt. Eine weitere Verwendung findet es in
Schutzmitteln für Dachpappe. Durch den regenwetterbedingten kommunalen Austrag gelangt es
in Kläranlagen und von dort in Oberflächengewässer. Substanzen aus Fassadenanstrichen (Biozide)
werden in sehr unterschiedlichen Konzentrationen
im Abwasser vorgefunden. Bei einem erweiterten
Messprogramm sollten sie berücksichtigt werden.
Auf eine Untersuchung des Komplexbildners EDTA
kann verzichtet werden, da in vorhergegangenen
Studien gezeigt werden konnte, dass unabhängig
von den bei Ozonung und Aktivkohleadsorption
mittelmäßigen Eliminationsraten eine Ablaufkonzentration von unter 10 µg/L erzielt wird. Diese
Konzentration liegt weit unterhalb der Wirkschwellenkonzentration von 2.200 µg/L. Auch für das
Flammschutzmittel Tris(dichlorisopropyl)phosphat
(TCPP) konnte in bereits abgeschlossenen Studien
gezeigt werden, dass sich dieses relativ gut mittels PAK aus dem Abwasser entfernen lässt. Die
Konzentrationen von TCPP im Ablauf kommunaler
Kläranlagen liegen jedoch weit unter der Wirkschwellenkonzentration von 420 µg/L.
Um einen weitergehenden Überblick über die
Mikroschadstoffbelastung des Ablaufs im Screening zu erhalten, kann die Stoffliste unter Berücksichtigung der standortspezifischen Randbedingungen, wie z. B. besondere Indirekteinleiter,
Krankenhäuser und Altenheime, ergänzt werden.
Eine Aufnahme von Röntgenkontrastmitteln in das
Screeningprogramm ist zur Bewertung des Kläranlagenablaufs sinnvoll, nicht jedoch zur Bewertung von auf Aktivkohle- oder auf Ozon basierenden Verfahren. Röntgenkontrastmittel sind mittels
PAK oder Ozon nicht oder nur in geringem Maße
entfernbar. Eine Bewertung neuer Verfahrensan-
2
12
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Grundlagen zur Verfahrensauswahl und Auslegung
sätze zur Entfernung von Mikroschadstoffen sollte
jedoch die Gruppe der Röntgenkontrastmittel mit
einbeziehen, da sie extrem persistent sind und aus
Vorsorgegründen kein Eintrag in Oberflächengewässer erfolgen sollte. Nach dem heutigen Wissensstand besitzen Röntgenkontrastmittel keine
toxische Wirkung auf aquatische Lebewesen.
Zur Bewertung der Belastung wird als Mindestumfang ein Screening von zwei 24-Stunden-Mischproben empfohlen. Die Probenahme ist in der Regel
bei Trockenwetterbedingungen durchzuführen, um
die Einflüsse durch Regenwasser auszuschließen.
Es wird jedoch empfohlen, das Screening bei Regenwetter zu wiederholen, um auch die regenwetterrelevanten Stoffe wie Biozide und Pestizide zu
erfassen.
Eine Datenverdichtung erfolgt durch ein anschließendes Monitoring mit reduziertem Parameterumfang mit mindestens fünf 24-Stunden-Mischproben bei Trockenwetter. Empfohlen wird im
Monitoring, neben standortrelevanten Stoffen, die
im Screening auffällig waren, folgende aussagekräftige und analytisch ausreichend genau quantifizierbare Leitparameter zu berücksichtigen:
2
• Metoprolol
• Carbamazepin
• Diclofenac
• Sulfamethoxazol
• 1H-Benzotriazol
• Terbutryn
2.2 Auslegungswassermenge
Für die Ermittlung der Auslegungswassermenge
ist zunächst das Gewässer, in das der Kläranlagenablauf eingeleitet wird, zu betrachten. Sollte
durch analytische Befunde nachgewiesen werden,
dass der Vorfluter besonders sensible Eigenschaften und eine geringe Wasserführung aufweist oder
dass der Kläranlagenablauf überdurchschnittliche
Mikroschadstoffbelastungen beinhaltet, sind die
Auslegungsbedingungen nach einer Einzelprüfung
individuell festzulegen und ggf. eine Vollstrombehandlung vorzusehen. Wenn immissionsbasierte
Vorgaben vorliegen, kann die Ermittlung der Behandlungswassermenge auf Basis eines immissionsbasierten Ansatzes erfolgen.
Sofern keine Vollstrombehandlung notwendig
ist, kann prinzipiell eine Teilstrombehandlung vorgesehen werden. Dennoch wird empfohlen, z. B.
bei Machbarkeitsstudien auch den Fall der Vollstrombehandlung zu beschreiben. Insbesondere
bei einer geplanten Nutzung vorhandener Bausubstanz sollte die verfahrenstechnische Umsetzung
einer möglichen Vollstrombehandlung betrachtet
werden. Die Auslegungswassermenge (QBem) für
die Stufe zur Mikroschadstoffelimination ist nach
DWA-Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 198 „Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für
Abwasseranlagen“ zu ermitteln. Die Anlagen sollen
mindestens nach dem Spitzenabfluss bei Trockenwetter (QT,max) ausgelegt werden. Wenn die Datengrundlage solch eine Ermittlung nicht ermöglicht,
ist die Anlage nach dem maximalen stündlichen
Trockenwetterabfluss (QT,h,max) auszulegen. Wenn
dies auch nicht möglich ist, ist der maximale Trockenwetterabfluss mit den Aufsichtsbehörden
abzustimmen.
Die Auslegungswassermengen sind mit der Genehmigungsbehörde abzustimmen.
2.3 Eliminationsraten
Die Bestimmung der Eliminationsrate zwischen
dem Zulauf in die biologischen Stufe und dem
Ablauf der Stufe der Mikroschadstoffelimination
hat sich als am sinnvollsten erwiesen. Die Messung
der Indikatorsubstanzen im Rohabwasser ist mit
analytischen Unsicherheiten verbunden. Bei einer
Verfahrensauswahl, bei der Pulveraktivkohle (PAK)
in die biologischen Stufe zugegeben wird, kann die
Effizienz der Stufe zur Mikroschadstoffelimination
teilweise auf mögliche Wechselwirkungen zwischen
PAK und biologischer Stufe zurückgeführt werden.
Das Erreichen des Reinigungsziels wird durch
Sicherstellung einer Elimination von 80 % der Indikatorsubstanzen zwischen dem Zulauf in die biologischen Stufe und dem Ablauf der sogenannten
4. Stufe überwacht. Indikatorsubstanzen setzen
sich aus den standortrelevanten Substanzen, die
im Screening auffällig waren, und den im Abschnitt
2.1.2 aufgeführten sensitiven Leitparametern
(Metoprolol, Carbamazepin, Diclofenac, Sulfamethoxazol, 1H-Benzotriazol und Terbutryn) zusammen.
Die Eliminationsrate bezieht sich auf die Summe
über alle Indikatorsubstanzen. Wenn ein bestimmter
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Grundlagen zur Verfahrensauswahl und Auslegung
Leitparameter für eine Kläranlage nicht relevant
ist, soll geprüft werden, ob dieser sinnvoll durch
einen anderen Stoff ersetzt werden kann.
Die Überwachung der Elimination soll durch zwei
Monitoringszyklen erfolgen. Dazu werden Proben
des Zulaufs zur Biologie und des Gesamtablaufs
der Kläranlage (inklusive der 4. Reinigungsstufe)
gezogen. Die Beprobung soll im Frühjahr und im
Herbst eines Jahres durchgeführt werden. Vorgesehen dafür ist prinzipiell eine mengenproportionale Probenahme für 24-Stunden-Mischproben an
sieben aufeinander folgenden Tagen. Das erweiterte
Messprogramm soll jährlich wiederholt werden.
Betriebsparameter wie die behandelte Abwassermenge in der 4. Stufe bzw. Dosiermenge sollen
auch regelmäßig erfasst werden.
Zur Überwachung der Ablaufkonzentrationen wird
monatlich mittels einer 24-Stunden-Mischprobe
der Gesamtablauf der Gesamtkläranlage untersucht. Das zu untersuchende Parameterspektrum
entspricht dem zum Monitoring zur Überwachung
der Eliminationsraten.
Zusätzlich zu dem Messprogramm mit Indikatorsubstanzen soll einmal im Jahr eine einwöchige
wirkungsbezogene analytische Messkampagne für
Östrogene durchgeführt und jährlich wiederholt
werden. Für diese Messkampagne ist die Beprobung des Kläranlagenablaufs ausreichend.
•Bromatbildungspotenzial des Abwassers bei
Berücksichtigung eines Ozonungsverfahrens
(wenn eine Trinkwassergewinnungsstelle in der
Nähe liegt und zusätzlich die Vorbelastung des
Vorfluters mit Bromat gegeben ist)
•Klärschlammentsorgungswege (Verbrennung
oder landwirtschaftliche Verwertung)
•Verbesserung der Reinigungsleistung der Kläranlage z. B. für CSB, AFS und Pges
•Ganzheitliche energetische Betrachtung, d. h.,
dass bei der Aktivkohle auch die Aufwendungen
für die Herstellung sowie Aufwendungen bei der
Reinsauerstofferzeugung und die unterschiedlichen Transportwege in die Betrachtungen mit
einfließen
• Mitarbeiterqualifikation
Die Verfahrensauswahl ist u. a. auch nach Untersuchungen des Kläranlagenablaufs auf Mikroschadstoffe zu treffen. Für die Verfahrenstechnik
mit Ozon ist das Ozonzehrungsverhalten des
Abwassers in Laborbatch-Tests zu bestimmen, um
die erforderliche Kontaktzeit festzulegen. Für die
Verfahrenstechnik mit Aktivkohle ist das Adsorptionsverhalten verschiedener Aktivkohlesorten
bzw. ausgewählter Mikroschadstoffe und des
Summenparameters CSB (ggf. auch DOC) zu
betrachten. Das Adsorptionsverhalten kann für
die Pulveraktivkohle durch Batch-Tests (SchüttelVersuch) und für die granulierte Aktivkohle durch
Säulenversuche oder Kleinfilterschnelltests (RSSCT) bestimmt werden.
2.4 Kriterien zur Verfahrenswahl
Bei der Verfahrenswahl sollten mindestens die
großtechnisch erprobten Verfahren Ozonung,
PAK und granulierte Aktivkohle (GAK) in Betracht
gezogen werden. Die örtlichen Randbedingungen
in Hinblick auf die Integration einer Anlage zur
Mikroschadstoffelimination sind bei der Verfahrenswahl und der Ausarbeitung von Untervarianten
zu berücksichtigen. Wichtige Kriterien bei der Verfahrenswahl sind:
•Eliminationsrate der Verfahren hinsichtlich relevanter Mikroschadstoffe im Ablauf der Kläranlage
• Platzbedarf und Flächenverfügbarkeit
•vorhandene nutzbare Verfahrens- und Bautechnik, wie z. B. eine Filtrationsanlage oder freie
Beckenkapazität
13
Aufwendige halb- und großtechnische Versuche
für die Ozonung und das PAK-Verfahren, bestehend aus Kontaktbecken, Sedimentation und
Raumfiltration, sind in der Regel nicht erforderlich.
Großtechnische Untersuchungen sind nur für die
Erprobung und Entwicklung neuer Verfahrenstechniken bzw. Verfahrenskombinationen erforderlich.
Die Auswahl der Verfahrenstechnik kann anhand
einer Variantenbewertung erfolgen. Auf der monetären Seite sind Jahreskosten zu berücksichtigen.
Aus technischer und betrieblicher Sicht sind u. a.
die Eliminationsrate hinsichtlich relevanter Mikroschadstoffe sowie ggf. eine zusätzliche Reinigungsleistung hinsichtlich klassicher Parameter
wie CSB, AFS und Pges, die Einbindung der Anlage
in die bestehende Kläranlage und der Betriebsaufwand zu bewerten.
2
14
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Ozonanlagen
3.1 Einbindung der Ozonungsstufe
Die Ozonung wird verfahrenstechnisch der biologischen Stufe nachgeschaltet (Abbildung 1).
Der effektive Einsatz von Ozon setzt eine niedrige
organische Hintergrundbelastung voraus. Eine gut
funktionierende Nachklärung ist wie bei den Adsorptionsverfahren auch hier eine Voraussetzung.
Optional kann das Abwasser vor der Ozonung
filtriert werden. Der Ozonung folgt eine biologisch
aktive Nachbehandlung zur Elimination von Transformationsprodukten.
3
Abbildung 1
Schematische Einbindung einer Ozonung
Ozon


Mech. Stufe

Biologische
Stufe

Filtration

Ozonung

Nachbehandlung

3.2 Ozonerzeugung
Für die Auslegung von Ozonanlagen ist die maximale Ozonmenge festzulegen. Es wird empfohlen,
die Ozondosis in Abhängigkeit von der DOC-Konzentration im Zulauf der Verfahrensstufe auszulegen. Vom Schweizerischen Bundesamt für Umwelt
(Abegglen und Siegrist, 2012) wird angegeben,
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Ozonanlagen
dass eine Ozondosis von 0,7 – 0,9 mg O3/mg DOC
für die Elimination der meisten Spurenstoffe ausreichend ist. Barjenbruch und Firk (2014) geben
als Auslegungsgröße eine spezifische Dosierung
zspez. von 0,6 bis 0,8 g O3/g DOC an.
Auf Grundlage der zugeführten Ozonkonzentration
cO3 über
c0 = zspez x cDOC
3
kann die benötigte Produktionskapazität BO3,max
der Ozonerzeuger unter Berücksichtigung der Auslegungswassermenge QBem (siehe Kapitel 2.2) mit
B0 ,max = QBem x c03
3
ermittelt werden. Zur Auslegung des Eintragssystems ist ferner die minimale Ozonerzeugung BO3,min
zu ermitteln:
B0 ,min = Q T,2h,min x c03
3
Der effiziente Betrieb einer Ozonanlage erfordert
eine stabile Nitrifikation in der vorausgehenden
biologischen Stufe, da durch Ozon Nitrit zu Nitrat
chemisch oxidiert wird. Der spezifische Ozonbedarf beträgt hierfür 3,43 g O3/g NO2-N. Um das
Ozon effektiv und zielgerichtet für die Mikroschadstoffelimination zu nutzen, ist eine gut funktionierende Nachklärung erforderlich. Bei schlechten
Ablaufwerten (z. B. mittlere AFS > 15-20 mg/L)
sollte eine Optimierung der Nachklärung erfolgen.
Der für die Ozonerzeugung erforderliche Sauerstoff kann entweder aus flüssigem Sauerstoff
(LOX), komprimierter, getrockneter Luft oder
Sauerstoff aus einer PSA-Anlage (Pressure Swing
Adsorption) zur Verfügung gestellt werden. Ein
einfaches und wirtschaftliches Verfahren ist in der
Regel die Verwendung von LOX. Es werden dabei
ca. 10 M.-% des Sauerstoffs in Ozon umgewandelt.
Im Einzelfall können auch andere Verfahren wirtschaftlich sein. Die Ozongeneratoren müssen im
Betrieb gekühlt werden.
15
3.3 Ozonreaktor
Das Reaktorvolumen ist unter Berücksichtigung
der Aufenthaltszeit des Wassers im Reaktor und
der Dauer bis zur vollständigen Ozonzehrung festzulegen. Die Ozonzehrung ist mit Batch-Tests für
das zu behandelnde Abwasser zu ermitteln. Die
Aufenthaltszeit im festgelegten Reaktorvolumen
muss eine weitestgehende Zehrung des Ozons
ermöglichen, um einen unzulässigen Ozonaustrag
mit dem gereinigten Ablauf in die Umwelt zu verhindern.
Die mittlere Aufenthaltszeit bei Bemessungszufluss kann mit 15 bis 30 min angegeben werden.
Nach Abegglen (2014) kann bei einer schnellen
Ozonzehrung die Aufenthaltszeit auf bis zu 10 min
verkürzt werden. Die Reaktorgeometrie hat Einfluss auf die Aufenthaltszeit des Wassers im Reaktor und ist daher bei der Auslegung auf Grundlage
von Erfahrungswerten oder einer numerischen
Strömungssimulation der Wasser- und Gasphase
(CFD) zu berücksichtigen.
Zur Berücksichtigung der Ozonzehrung bei der
Festlegung des Reaktionsvolumens schlagen Maus
et al. (2014) basierend auf praktischen Erfahrungen folgenden Ansatz vor:
V =
QBem × tZehrung
0,35
Das erforderliche Reaktionsvolumen V lässt sich
demnach aus der Bemessungswassermenge QBem,
der Zeit bis zur vollständigen Ozonzehrung tZehrung
und einem vorgeschlagenen Faktor zur Berücksichtigung der ungleichmäßigen Durchströmung
des Reaktorvolumens ermitteln.
Der Reaktor sollte eine enge Verweilzeitverteilung
zur effektiven Nutzung des Volumens aufweisen.
Folgende Designs sind grundsätzlich möglich:
•kaskadiertes Beckenvolumen (CSTR-Kaskade;
Continuous Stirred-Tank Reaktor)
• Schlaufenreaktor mit Leitwänden
• Rohrreaktor (Pfropfenströmung)
3
16
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Ozonanlagen
Das Volumen kann in verschiedene Begasungsund Ausgasungszonen unterteilt werden. Außer
der Reaktorgeometrie beeinflusst der Eintrag des
gasförmigen Ozon-/Sauerstoffgemischs die Strömung. Durch eine gezielte Anordnung des Ozoneintragssystems können z. B. die sich zwangsläufig
bildenden Strömungswalzen zur Kaskadierung des
Beckenvolumens genutzt werden. Insbesondere
bei gewählten kurzen Aufenthaltszeiten werden daher begleitende Ozonzehrungstests und eine CFDSimulation zur Prüfung der Auslegung empfohlen.
In geringem Umfang findet bei der Ozonung eine
Hygienisierung des Abwassers statt. Wenn auch
die Hygienisierung Ziel der Behandlung ist, ist ggf.
an mehreren Stellen Ozon zu dosieren, um die
Wirkzeit des Ozons zu verlängern. Eine allgemeingültige Empfehlung ist mit dem derzeitigen Kenntnisstand noch nicht möglich.
Das Reaktionsbecken der Ozonanlage ist gasdicht
abzudecken. Der Gasraum ist kontinuierlich abzusaugen und das Off-Gas durch einen Restozon-Vernichter zu leiten, damit kein Ozon in die Umgebung
gelangt.
3
Alle Werkstoffe, die mit Ozon in Kontakt kommen,
müssen ozonbeständig sein. Geeignete Materialien
sind u. a. Beton und Edelstahl. Insbesondere bei
der Wahl der eingesetzten Dichtungen und Kunststoffe ist die Ozonbeständigkeit zu prüfen.
3.4 Ozoneintrag
Der Ozoneintrag kann mit Diffusoren oder mit
einem Pumpe-Injektorsystem erfolgen. Grundsätzlich kann mit beiden Systemen eine hohe
Eintragseffizienz des Ozons erzielt werden. Beim
Eintrag des Ozons mit Diffusoren sollte die Beckentiefe mindestens 5 m betragen, um einen
weitestgehenden Übergang des gasförmigen
Ozons in die Wasserphase zu erreichen. Die Gasmindestbeaufschlagung der Diffusoren ist zu beachten.
Beim Injektorsystem erfolgt der Ozoneintrag zuerst in einem Abwasserteilstrom, der anschließend
mit dem Hauptstrom vermischt wird. Besondere
Anforderungen an das Reaktionsbecken bestehen
nicht, es ist jedoch zusätzlich Energie zum Betrieb
der Treibwasserpumpe erforderlich.
Das Eintragssystem ist auf den einzutragenden
Gasfluss auszulegen. Die Berechnung des einzutragenden Ozon-/Sauerstoffgasvolumenstroms
erfolgt über die Ozonkonzentration im Produktgas
des Ozongenerators. Bei 10 M.-% Ozon im Produktgas liegt die maximale Ozonkonzentration im
Produktgas bei 148 g O3/Nm³. Die maximalen und
minimalen einzutragenden Gasvolumenströme
QO2/O3 können nach Festlegung der Ozonkonzentration im Produktgas berechnet werden:
QO2/O3,max = BO3,max / cO3,Produktgas
QO2/O3,min = BO3,min / cO3,Produktgas
Bei der Bemessung eines Diffusorsystems ist
insbesondere die Spannweite des minimalen und
maximalen Ozoneintrags zu berücksichtigen, da
diese über der minimalen und maximalen Gasbeaufschlagung der Diffusoren liegen kann. Ein
Ansatz zur Auslegung des Diffusorsystems wurde
im Forschungsprojekt „Elimination von Arzneimittelrückständen in kommunalen Kläranlagen“
(Arge TP 6, 2013) erläutert. Eine Möglichkeit, die
Mindestbeaufschlagung einzuhalten, besteht
darin, die Ozonkonzentration im Produktgas zu
senken. Dies erhöht jedoch den Bedarf an technischem Sauerstoff. Alternativ ist zu prüfen, ob einzelne Diffusoren temporär ausgeschaltet werden
können. Zu beachten ist hierbei, dass in diesem
Fall Wasser- und ggf. Feststoffe in das Diffusorsystem eindringen.
Das Injektorsystem unterliegt grundsätzlich keiner
Restriktion zur Mindestbeaufschlagung und ist für
die maximale Gasmenge auszulegen.
Die Wahl des Eintragssystems ist unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen und betrieblichen
Aspekten zu treffen.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Ozonanlagen
3.5 MSR-Technik
Die Steuerung des Ozoneintrags kann proportional
zur Zulaufabwassermenge erfolgen. Weitere Steuerund Regelkonzepte sind möglich, um den Ozoneintrag zu optimieren. Diese basieren in der Regel auf
Messverfahren zur indirekten Berücksichtigung
der Konzentrationsschwankungen der organischen Kohlenstoffverbindungen im Zulauf der
Ozonanlage wie SAK-/UV-Vis-Sonden oder DOCMessungen. Weitergehende Regelstrategien über
die Absorbanzabnahme vor und nach der Ozonung
wurden untersucht (Wittmer et al. 2013).
Ferner kann die Ozonkonzentration im Offgas und
in der gelösten Phase in einem Regelungskonzept
eingebunden werden, um eine Ozon-Überdosierung zu vermeiden.
Insgesamt kann die zulaufmengenproportionale
Ozondosierung als Standardverfahren für kleine Anlagen unter 100.000 EW und ohne starke
Schwankungen des DOC angesehen werden. Eine
allgemeingültige Empfehlung für die Berücksichtigung weiterer Regel-/Steuergrößen kann nicht
gegeben werden und ist im Einzelfall zu prüfen.
Messtechnisch ist in geschlossenen Betriebsräumen der Ozonanlage eine Ozonmessung zur
Sicherstellung der Arbeitssicherheit notwendig,
die mit der Ozonanlage und einem Alarmsystem
gekoppelt ist. Eine Sauerstoffmessung im Betriebsraum wird aus Brandschutzgründen empfohlen.
3.6 Nachbehandlung
Durch die Ozonung können problematische Stoffe,
die sogenannten Transformationsprodukte, gebildet werden. Der im August 2014 veröffentlichte
DWA-Themenband (DWA, 2014) stellt die Transformationsprodukte in den Mittelpunkt und betrachtet insbesondere die Stoffe, die aus gut wasserlöslichen und mäßig sorbierenden Mikroschadstoffen
durch abiotische oder biotische Veränderungen in
der Umwelt oder während technischer Prozesse
gebildet werden können.
17
Verschiedene Studien zeigen, dass nach einer
Ozonung die abbaubaren Reaktionsprodukte durch
eine biologische Nachbehandlung entfernt werden
können (Stalter et al., 2010a+b; Zimmermann,
2011; Abegglen und Siegrist, 2012). Somit wird
eine Nachbehandlung des ozonierten Abwassers
derzeit als erforderlich erachtet.
Die biologische Nachbehandlung ist ein aktuell
erforschtes Thema. Hier kommen biologische
(z. B. Sandfilter) oder biologisch-adsorptive Verfahren wie GAK-Filter in Frage. Neben der Nutzung
von vorhandenen biologisch wirkenden Filteranlagen oder Schönungsteichen ist auch der Einsatz
von Wirbel- und Festbettreaktoren möglich.
Erste Erfahrungen einer Nachbehandlung mit GAKFiltern für den Abwasserbereich liegen für drei
Anlagen in Australien (Reungoat et al., 2012) sowie
aus Pilotversuchen auf der Kläranlage Eriskirch
in Baden-Württemberg vor. Angestrebt wird, dass
durch die Adsorption und eine biologische Aktivität
Mikroschadstoffe und Transformationsprodukte
weiter reduziert werden. Aussagen zur optimalen
Abstimmung zwischen der Auslegung der Ozonung und der Standzeit der GAK bedürfen noch
weiterer Untersuchungen.
3
18
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Pulveraktivkohleanlagen (PAK)
4.1 Einbindung der PAK-Stufe
Anlagen mit Pulveraktivkohledosierung bestehen
in der Regel aus einem Kontaktbecken und einer
Stufe zum Rückhalt der PAK. Bei der Dosierung
der PAK in den Flockungsraum einer Filtration sind
beide Verfahrensschritte in einer Anlage kombiniert. Diese üblichen Varianten sind in Abbildung 2
dargestellt.
Es sind verschiedene Verfahrenstechniken zum
Einsatz von Pulveraktivkohle auf Kläranlagen möglich. Eine effiziente Nutzung der Adsorptionskapazität setzt eine geringe organische Hintergrundbelastung des zu behandelnden Abwassers voraus.
Die Pulveraktivkohle (PAK) wird daher als frische
Kohle nach der biologischen Stufe dosiert.
4
Abbildung 2
Schematische Einbindung einer PAK-Anlage
Verfahren mit Kontaktbecken
PAK


Mech. Stufe

Biologische
Stufe
Filtration

Flockungsfiltration

ÜS-Kohle
Dosierung vor Flockungsfilter
PAK
Mech. Stufe

Biologische
Stufe


Rückspülwasser mit PAK
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Pulveraktivkohleanlagen (PAK)
Eine Möglichkeit, die Kohle weitestgehend mit
Mikroschadstoffen zu beladen, ist der Einsatz
eines Kontaktbeckens mit nachgeschaltetem PAKRückhalt. Die PAK wird bei diesem Verfahren zur
Mehrfachbeladung von der PAK-Rückhaltestufe
wieder ins Kontaktbecken zurückgeführt. Überschüssige Kohle wird meistens der biologischen
Stufe zugegeben und gelangt somit zusammen
mit dem Überschussschlamm in die Schlammbehandlung. Der Ablauf der PAK-Rückhaltestufe
beinhaltet in der Regel noch PAK-Partikel, die nicht
ins Gewässer gelangen dürfen, und muss durch
eine anschließende Filtrationsstufe nachbehandelt
werden.
schadstoffe wie Carbamazepin und Metoprolol
bereits zu über 80 % eliminiert werden können.
Für Benzotriazol und Diclofenac werden ähnliche
Raten erzielt; Sulfamethoxazol hingegen wird nur
bis zu 65 % vermindert (Metzger et al., 2014). Die
genaue Dosierung soll nach den örtlichen Bedingungen und dem Reinigungsziel mittels Labortests
festgelegt werden.
Alternativ kann als Kontaktraum für die PAK der
Überstand einer Flockungsfiltration genutzt werden. Der Rückhalt der PAK-Partikel muss dann
(nahezu) vollständig durch den Filter erfolgen. Mit
dem Rückspülwasser kann die PAK beispielweise
der biologischen Stufe zugeführt werden.
Die PAK wird als Pulver mit Silotransportfahrzeugen zur Kläranlage geliefert. Die Silogröße für die
PAK sollte mindestens eine LKW-Ladung aufnehmen können. Bei der Festlegung der Silogröße
ist die Ausdehnung der Kohle beim Befüllen zu
beachten.
Grundsätzlich ist auch eine Dosierung ins Belebungsbecken möglich. Es liegen jedoch zu diesem
Verfahren derzeit sehr begrenzte Erfahrungen vor.
Daher wird dieses hier nicht näher dargestellt.
Die Erfahrungen zeigen, dass die Adsorptionskapazität der Kohle bei jeder Lieferung in einem großen
Umfang schwanken und somit Fehler bei Dosierungen verursachen kann. Zur Qualitätssicherung
sollen Angaben wie z. B. Wassergehalt, Isotherme,
Adsorptionskapazität und Korngröße im Produktdatenblatt vorhanden sein (Hein, 2014).
Bei einer hohen Suspensafracht im Zulauf zur
Aktivkohleanlage ist eine Ertüchtigung der Nachklärung erforderlich. Der Einsatz einer zusätzlich
vorgeschalteten Filteranlage ist unter wirtschaftlichen wie auch hydraulischen Gesichtspunkten
nicht zielführend. Durch die Reduzierung der Suspensa vor der Aktivkohlestufe ist eine deutliche
Verringerung der erforderlichen PAK-Menge und
damit eine kosteneffiziente PAK-Dosierung möglich.
4.2 Kohlebedarf
Die übliche Spannweite der PAK-Dosierung liegt
zwischen 10 und 20 mg PAK/L bei separater Adsorptionsstufe. Die Dosierung hängt u. a. von der
Kohleart, dem Dosierort und einer ggf. vorgesehenen Rezirkulation der Kohle ab. Bei einer PAK Dosierung direkt auf den Filter ist mit einem höheren
PAK Bedarf zu rechnen.
Die Erfahrungen aus Baden-Württemberg zeigen,
dass bei der Adsorptionsstufe bei einer Dosierung
von 10 mg PAK/L die gut adsorbierbaren Mikro-
19
Bei der Dosierung spielen auch die Präzision und
die Zuverlässigkeit der Dosiereinrichtung eine
wichtige Rolle. Sichere und effiziente Einrichtungen sollen ausgewählt werden, um auch Staubprobleme im Dosierraum zu vermeiden.
4.3 Kontaktbecken
Die Untersuchungen zur Bestimmung der Kontaktbeckengröße weisen darauf hin, dass eine signifikante Adsorption auf Aktivkohle innerhalb von
wenigen Minuten erfolgen kann (Metzger, 2010).
Bei den Anlagen mit separatem Kontaktbecken
können jedoch kurze Aufenthaltszeiten bei Spitzenzuflüssen bei gleichbleibendem Rücklaufkohlestrom ein signifikantes Absenken des TS-Gehalts
im Becken verursachen (Dehm, 2005; Fromm,
2007). Aus diesem Grund wird bei solchen Anlagen
empfohlen, das Kontaktbecken mit einer Aufenthaltszeit für den Bemessungszufluss von mindestens 30 Minuten auszulegen (Metzger, 2010).
Bei Dosierung in den Flockungsraum einer Filteranlage ist eine kürzere Kontaktzeit bzw. höherer
PAK-Einsatz ggf. möglich. Die Adsorptionskinetik
der zu sorbierenden Stoffe und die Gefahr des
Ausschwemmens der Kohle bei hydraulischen
4
20
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Pulveraktivkohleanlagen (PAK)
Spitzen muss bei der Auslegung des Kontaktbeckens beachtet werden. Das Kohlealter hat keinen
direkten Einfluss auf das Volumen der Kontaktbecken, da hierdurch die Absorptionskinetik nicht
geändert wird.
Eine Rückführung der Kohle kann verfahrenstechnisch vorgesehen werden. Das Rückführverhältnis
liegt im Bereich von 0,5 bis 1,0. Der Trockensubstanzgehalt im Kontaktbecken an PAK kann
dadurch auf ca. 4 g/L angehoben werden und die
Sorptionskapazität der Kohle kann weitestgehend
ausgenutzt werden. Das Kontaktbecken ist mit
einer Umwälzung auszurüsten, die ein Sedimentieren der PAK (ISV < 80 mL/g) vermeidet.
4.4 MSR-Technik
Die Dosierung der PAK kann proportional zur Zulaufwassermenge der Aktivkohleanlage erfolgen.
Die Genauigkeit der PAK-Dosiervorrichtung muss
eine deutliche Unterschreitung der festgelegten
Dosiermenge ausschließen und ebenso eine Überdosierung zur Vermeidung zu hoher Betriebskosten verhindern. Eine gravimetrische Dosierung
der PAK kann diese Anforderungen erfüllen. Das
Dosiersystem sollte jedoch grundsätzlich in regelmäßigen Abständen kalibriert werden. Es wird von
einer rein volumetrischen Dosierung abgeraten.
4
Das Dosiersystem muss mit einem Ex-Schutz
ausgerüstet sein. Im Bereich des PAK-Silos ist aus
Arbeitsschutzgründen eine O2- und CO-Messung
erforderlich. Für das Befeuchten und Einspülen
der Kohle ist eine geeignete Mischeinrichtung, ein
sogenanntes Vortex-Gefäß, mit störungsarmer
Sensorik zu verwenden. Auch das Vortex-Gefäß
ist regelmäßig zu warten, um Kohleanbackungen
mit einem verschlechterten Einmischverhalten zu
verhindern.
4.5 PAK-Rückhalt
Die Untersuchungen zur Fischgesundheit und
Gewässerökologie an der Kläranlage AlbstadtEbingen mit über 20-jährigem Betrieb einer PAKAnlage wiesen auf keine negativen Auswirkungen
hin (Triebskorn et al., 2014). Aktivkohle gehört
jedoch nicht ins Gewässer und muss nach der
Behandlung zur Mikroschadstoffentnahme vom
Wasser getrennt werden. Ein Verlust von PAK über
den Kläranlagenablauf vermindert die Reinigungsleistung der Anlage, daher ist der vollständige
Rückhalt der feinen Aktivkohlepartikel am Ablauf
der PAK-Stufe sicherzustellen.
Zum Rückhalt der PAK können zunächst Absetzbecken eingesetzt werden. Die Sedimentationsanlagen werden auf eine Oberflächenbeschickung von
qA = 2 m/h ausgelegt. Zur Bildung gut absetzbarer
PAK-Flocken können sowohl Eisen- als auch Aluminiumprodukte als Fällmittel sowie Flockungshilfsmittel eingesetzt werden. Die bereits auf der
Kläranlage eingesetzten Mittel können bei der Auswahl berücksichtigt werden. Die optimale Dosierung ist vor Ort zu ermitteln. Metzger et al. (2014)
setzt hier z. B. beim Betriebskostenvergleich der
PAK-Anlagen 0,5 mg Fe/L an. Eine entsprechende
Reduzierung der Fällmittelmenge für eine vorherige Simultanfällung zur Phosphorelimination ist
möglich (Metzger et al., 2014). Eine Trübungsmessung im Ablauf der Sedimentationsanlage wird
empfohlen.
Bei PAK-Dosierung (20 mg PAK/L) in den Überstand einer Flockungsfiltration hat sich die Zugabe
von Fällmittel in einem Verhältnis von 0,2 g Fe/g
PAK bewährt, um einen nahezu vollständigen
Rückhalt der PAK im Filter zu gewährleisten
(Bornemann et. al, 2012).
Auch der Ablauf der Sedimentationsstufe kann
feindisperse PAK aufweisen. Zum vollständigen
Rückhalt ist eine nachgeschaltete Filtration erforderlich. Neben einer konventionellen Raumfiltration kommen auch alternative Verfahren
(z. B. Tuch- oder Fuzzyfilter®) in Frage. Die Eignung
dieser Verfahren sollte, soweit noch nicht erfolgt, in
technischen Versuchen nachgewiesen werden.
Neben einem konventionellen Absetzbecken
kommen grundsätzlich noch alternative Verfahren in Frage, die entweder, wie z. B. das Actiflo®Verfahren, auf einer optimierten Sedimentation
der PAK oder auf einer direkten (Membran-)Filtration basieren.
4.6 PAK-Entsorgung
Die beladene PAK kann der biologischen Stufe
zugegeben werden. Anschließend wird die PAK mit
dem Überschussschlamm der Schlammbehand-
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung von Pulveraktivkohleanlagen (PAK)
21
lung zugeführt. Die Rücklösung von Mikroschadstoffen in der Schlammbehandlung konnte bisher
nicht beobachtet werden. Alternativ ist eine separate PAK-Schlammbehandlung möglich.
Durch die PAK sowie bei Einsatz eines Sedimentationsbeckens zusätzlich erforderlichen Fäll- und
Flockungshilfsmittel erhöht sich die zu entsorgende
Schlammmasse der Kläranlage. Der Schlamm ist
in einer Verbrennung zu entsorgen. Der hohe Heizwert der PAK kann hierdurch energetisch genutzt
werden. Eine landwirtschaftliche Verwertung des
Schlammes sollte nicht erfolgen, da die Stoffe
durch die Ausbringung auf Felder ubiquitär verteilt
werden.
4
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
22
Auslegung eines Filters
mit granulierter Aktivkohle (GAK)
5.1 Einbindung der GAK-Stufe
Die Filtration mit granulierter Aktivkohle kann
direkt der biologischen Stufe nachgeschaltet
werden. Bei dieser Verfahrensführung wird im
GAK-Filter auch Suspensa zurückgehalten. Um
eine schnelle Filterbettbelegung und eine häufige
Rückspülung des GAK-Filters zu vermeinden, kann
optional eine zusätzliche Filtrationsstufe zum
Suspensarückhalt dem GAK-Filter vorgeschaltet
werden (Abbildung 3).
5
Abbildung 3
Schematische Einbindung einer GAK-Anlage

Mech. Stufe

Biologische
Stufe

Filtration

GAK-Filter

5.2 Auslegung des Filters
Granulierte Aktivkohle wird entweder in eine bestehende Filteranlage eingebaut, wobei das vorhandene Filtermaterial gegen GAK ausgetauscht wird,
oder für die GAK ist eine neue Filteranlage z. B. in
der Bauform als Druckkessel oder als konventioneller Rückspülfilter zu planen. Erste positive Erfahrungen liegen zudem zum Austausch von Sand
gegen GAK in kontinuierlich gespülten Filtern vor.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Auslegung eines Filters mit granulierter Aktivkohle (GAK)
GAK-Filter werden in der Regel mit einer Leerbettkontaktzeit (EBCT, empty bed contact time) von 5
bis 30 Minuten und einer Filterbettgeschwindigkeit
von 5 -15 m/h ausgelegt (Metcalf und Eddy, 2003).
Vergleichbare Werte werden auch im DVGWArbeitsblatt W 239 für den Trinkwasserbereich
angegeben.
Die Einsatzmöglichkeiten der GAK zur Mikroschadstoffelimination hängen stark von den durchsetzbaren Bettvolumina ab, bis die GAK ausgetauscht
bzw. regeneriert werden muss. Die Größe „durchsetzbares Bettvolumen“ beschreibt, wie viel Abwasser pro Bettvolumen an GAK behandelt wird.
Zur Ermittlung der durchsetzbaren Bettvolumina
werden Versuche mit verschiedenen granulierten
Aktivkohlen in Labortests und/oder halbtechnischem Maßstab dringend empfohlen. Die Anzahl
der erzielbaren durchgesetzten Bettvolumina bis
zum Austausch bzw. zur Regenerierung der GAK
ist stoffspezifisch festzulegen.
Die zurzeit vorliegenden Erfahrungen beim Einzelfilterbetrieb deuten auf erzielbare Bettvolumina von 3.000 bis ca. 16.000 hin. Für einzelne
Stoffe wurde auch bei längeren Standzeiten eine
Elimination verzeichnet (Hertel et al., 2014).
Nach Nahrstedt et al. (2013), Alt et al. (2014) und
Nahrstedt et al. (2015) konnten ausgehend von
einer mittleren Elimination von z. B. > 80 % für
die Leitparameter Diclofenac und Carbamazepin
Bettvolumenwerte von 14.000 bis 16.000 erreicht
werden.
Bei der Auswahl der Kohle sind die spezifischen
Eliminationsraten und die Betriebskosten für den
regelmäßigen Austausch der Kohle wichtige Kriterien. Es werden GAK-Produkte mit verschiedenen
z. T. rohstoffspezifischen Kornhärten angeboten.
Insbesondere während der Luftspülung des Filters
kann es zu Abrasionsverlusten an der GAK kommen. Das Spülprogramm bzw. die Spülfrequenz
ist daher auf die mechanische Stabilität der GAK
unter Beachtung der Filterlaufzeit und dem zulässigem Filterwiderstand abzustimmen. Ein unnötig
häufiges Rückspülen der GAK-Filter ist zu vermeiden.
23
5.3 Filterbeladung
Die GAK-Filtration sollte mit einer möglichst geringen organischen Hintergrundbelastung des Abwassers und Feststoffkonzentration von im Mittel
deutlich unter 15 mg AFS/L beschickt werden. Erforderlich ist eine gut funktionierende Nachklärung
oder eine vorgeschaltete Filtration, so dass eine
feststoffarme Beschickung der GAK-Filter erfolgt.
Zur Verlängerung der Leerbettkontaktzeit (EBCT)
sollten möglichst alle zur Verfügung stehenden
GAK-Filter parallel beschickt werden. Falls die
GAK-Filter auch zum Suspensarückhalt eingesetzt
werden, ist die Mindestgeschwindigkeit für den
Feststoffrückhalt im Betrieb zu beachten.
5.4 Austausch der GAK
Die stoffspezifischen Konzentrationen im Sammelfiltrat der GAK-Filter ergeben sich aus der
Mischung der Einzelfiltrate. Der Austausch der
GAK sollte daher für die jeweils am höchsten
beladene Filterzelle in Abhängigkeit von einer
festzulegenden maximalen Mischkonzentration
ausgewählter Mikroschadstoffe im Sammelfiltrat
erfolgen. Durch die Parallelschaltung unterschiedlich stark beladener Filter kann die Anzahl der bis
zum Austausch erzielbaren Bettvolumina erhöht
und somit die Laufzeit der GAK verlängert werden. Hierzu kann ein Rechenmodel in Form einer
Mischungsrechnung für die Filtrate einzelner GAKFilter zu Grunde gelegt werden. Die stoffspezifischen Konzentrationen der Einzelfiltrate werden
dabei mit Ausgleichsfunktionen in Abhängigkeit
der durchgesetzten Bettvolumina beschrieben.
Die beladene GAK ist entweder zu entsorgen und
zu ersetzen oder nach einer Reaktivierung der
Adsorptionskapazität wiederzuverwenden. Bei der
Reaktivierung ist ein Verlust von ca. 10 - 20 % zu
berücksichtigen, der durch frische GAK aufgefüllt
werden muss (Kolisch et al., 2014; Alt et al., 2014).
5
24
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Energiebedarf
Wie bereits im Kapitel 2 aufgeführt, sollte bei der
Bewertung der Verfahren eine ganzheitliche Betrachtung durchgeführt werden. Hierbei sind auch
die Aufwendungen zur Materialherstellung und
die Transportwege zu berücksichtigen. Eine CO2Bilanzierung ist daher sinnvoll.
6
Der Energiebedarf der technischen Anlagen zur
Spurenstoffelimination variiert mit der angewandten Ozon- bzw. Aktivkohledosis, die von der
organischen Hintergrundbelastung des zu behandelnden Abwassers abhängt. Untersuchungen zum
Energiebedarf realisierter Anlagen zur Mikroschadstoffelimination weisen auf vergleichbare Werte hin.
Die Auswertung der Messwerte von drei Ozonungsanlagen in NRW ergab einen spezifischen Stromverbrauch auf Kläranlagen von 0,04 - 0,17 kWh/m³
(Pinnekamp et al., 2014). Die hiermit korrespondierenden Dosiermengen bewegen sich im Bereich
von 2 bis 7 g O3/m³ behandeltem Abwasser. Nach
Maus et al. (2014) resultiert bei einer mittleren
Ozondosierung von 5 mg O3/L ein spezifischer
Energiebedarf von ca. 0,05 kWh/m³.
Metzger et al. (2014) werteten für sechs realisierte
bzw. in Planung befindliche Anlagen mit Pulveraktivkohle in Baden-Württemberg den Energiebedarf
der Anlagentechnik (ohne Filtrationsstufe) aus.
Der Energiedarf für diese PAK-Anlagen liegt demnach zwischen 0,016 und 0,044 kWh/m³ behandeltem Abwasser. Pinnekamp et al. (2014) berück-
sichtigte bei der Auswertung die nachgeschaltete
Filtration und den Rezirkulationsbetrieb separat.
Bei PAK-Dosiermengen von 5-20 g PAK/m³ bewegt sich der spezifische Energiebedarf für die
nachgeschaltete Zugabe im Bereich von 0,025 0,035 kWh/m³. Die abschließende Trennung der
PAK durch eine Filtrationsstufe erhöht diesen Wert
um 0,01 - 0,05 kWh/m³. Für den Rezirkulationsbetrieb beträgt der spezifische Energiebedarf
0,08 - 0,18 kWh/m³.
Bei GAK-Filtern ist der Energiebedarf stark von den
örtlichen Randbedingungen im Hinblick auf die
notwendige Förderhöhe und das Rückspülintervall
abhängig. Bei einem Austausch des Filtermaterials
gegen GAK bei bestehenden Filteranlagen ist ggf.
keine zusätzliche Energie für Maschinentechnik
erforderlich. Bei der Studie nach Pinnekamp et
al. (2014) liegen die sich für Anlagen mit GAKFiltration ergebenden Werte zwischen ca. 0,02 0,06 kWh/m³. Eine pauschale Angabe des Energiebedarfs ist jedoch aus oben dargestellten Gründen
nicht zu empfehlen und der Verbrauch ist ortspezifisch zu ermitteln.
Bei der Wahl der Anlagenaggregate sollten energieeffiziente Geräte berücksichtigt werden. Nach
Maus et al. (2014) benötigen moderne Konverter
zur Ozonerzeugung aus LOX ca. 9 bis 10 kWh/kg
O3. Hinzu kommen Nebenaggregate zur Kühlung,
Steuerung, Ozoneintragung und biologischen
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Energiebedarf
25
Nachbehandlung sowie ggf. für ein erforderliches
Beschickungspumpwerk. In Duisburg-Vierlinden
benötigt die Ozonanlage mit Nebenaggregaten
und Nachbehandlung mittels Wirbelbett bei einer
mittleren Ozondosis von 5 mg O3/L bei einem
Ozoneintrag mit Diffusoren insgesamt 0,063 kWh/
m³ behandeltes Abwasser und 0,079 kWh/m³ bei
einem Ozoneintrag mit Pumpe-Injektor-System
(Maus et al., 2014). Daneben ist im Betrieb der
Bedarf an Reinsauerstoff für die Ozonerzeugung
zu beachten. Alternativ kann das Ausgangsgas
für die Ozonerzeugung vor Ort aufbereitet werden
(PSA-Anlage oder getrocknete komprimierte Luft).
Für den Betrieb der Gasaufbreitung ist zusätzlich
Energie erforderlich.
Der Energiebedarf der Anlagen zur Spurenstoffelimination kann durch vorteilhafte Beckenformen,
die ggf. unterstützt durch eine numerische Strömungssimulation (CFD) gestaltet wurden, verringert werden. Es ist auf eine hydraulisch günstige
Einbindung der Anlage zur Mikroschadstoffelimination in den Wasserweg der Kläranlage zu achten.
Zusätzliche Messtechnik kann durch eine optimierte Steuerung der Dosierung der Betriebsmittel Ozon, PAK, Fällmittel oder dem Austausch
der GAK zu einer Reduzierung des Energiebedarfs
bzw. der Betriebskosten führen.
6
26
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Betrieb
7
Während der Inbetriebnahme und im späteren
Betrieb ist die Steuerung der Betriebsmitteldosierung bzw. der Austausch der GAK durch
eine begleitende Prozessanalytik im Hinblick auf
eine zielgerichtete Mikroschadstoffelimination
zu optimieren. Hierbei sollte eine Fokussierung
auf wenige Leitparameter erfolgen oder es sollten
wirkungsbezogene Testsysteme eingesetzt werden. Die Probenahmestellen sind in Abhängigkeit
vom eingesetzten Verfahren zu wählen. Hinweise
zur Eigenkontrolle bei Anwendung von Pulveraktivkohle werden in der Handlungsempfehlung
des Kompetenzzentrums Spurenstoffe BW
(KomS-BW, 2014) gegeben.
Im Rahmen der Inbetriebnahme ist die Genauigkeit der installierten Messtechnik und der Dosiereinrichtungen zu prüfen. Es sollte ein Monitoring
ausgewählter Mikroschadstoffe im Zu- und Ablauf
der Anlage zur Mikroschadstoffelimination erfolgen. Die Parameter sind mit der zuständigen Behörde abzustimmen. Die Eliminationsrate ist stark
stoffspezifisch. Orientierungswerte zur erzielbaren
Elimination von Mikroschadstoffen bei verschiedenen Ozondosen oder Mengen der eingesetzten
Aktivkohle können aus bisherigen Forschungsergebnissen entnommen werden.
Die Untersuchung weiterer Aktivkohlen durch
Schnelltests bzw. im Betrieb kann ggf. eine Reduzierung der Betriebskosten ermöglichen. Im Rahmen einer Qualitätskontrolle für gelieferte Aktivkohlechargen können Schnelltests zur Bestimmung
der Adsorptionsleistung verschiedener Aktivkohlechargen genutzt werden (Sperlich et al., 2014).
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
27
Kosten
Auf Basis realisierter Anlagen in der Schweiz,
Süddeutschland und Nordrhein-Westfalen sowie
erstellter Machbarkeitsstudien sind die mit der
Mikroschadstoffelimination verbundenen Kosten
Abbildung 4
Spezifische Jahreskosten je m³ behandeltem Abwasser für die Vorzugsvarianten aus Ozonung,
Pulveraktivkohle- und GAK- Behandlung (NRW, Stand März 2015); Kostenfunktionen resultieren
aus den Kosten realisierter Anlagen und aus Machbarkeitsstudien aus BW und CH. Bildquelle:
Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW, www.kompetenzzentrum-mikroschadstoffe.de.
spezifische Jahreskosten netto
[¤/m3 Abwasser behandelt]
0,25
8
0,2
y = 1,5783x-0,265
R2 = 0,7877
Duisburg-Vierlinden
Südlohn
Rietberg
0,15
Schwerte
Harsewinkel
y = 3,6349x-0,384
R2 = 0,7689
Greven
Rheda-Wiedenbrück
Ochtrup
0,1
Neuss-Ost
Warburg
Bad Sassendorf
KA Emmerich
Paderborn-Sande
Wesel
Duisburg-Hochfeld
Stadtlohn
0,05
Paderborn-Sande
Lübbecke
Bad Oeyenhausen
Detmold
Gütersloh-Putzhagen
0
5.000
resultierende Kostenfuntion Ozonanlagen CH
resultierende Kostenfuntion PAK Anlagen BW und CH
Obere Lutter
50.000
angeschlossene Einwohnerwerte [EW]
PAK
Ozon
GAK
Ozonanlage CH
500.000
PAK Anlagen BW und CH
28
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Kosten
vom Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe.NRW
ausgewertet worden. Die Kosten für Analytik sind
davon ausgenommen, da diese in großem Umfang variieren können. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt. Grundsätzlich sinken die
8
spezifischen Kosten, je größer eine Kläranlage
ist. Unterschiede zwischen den Anlagen ergeben
sich zum Teil aus dem gewählten Verfahren, der
Integration in die vorhandene Kläranlage und der
Nutzung vorhandener Bausubstanz.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
29
Fazit
9.1 Motivation
9.3 Ozonanlagen
Eine effiziente Verringerung der Mikroschadstoffemission in ein Gewässer beginnt mit einem
verantwortungsbewussten Umgang mit diesen
Stoffen. Es ist zurzeit bekannt, dass kommunale
Kläranlagen ohne gezielte Mikroschadstoffelimination eine wichtige Eintragsquelle für Mikroschadstoffe ins Gewässer sind. Es ist nicht möglich, alle
Substanzen in dieser Gruppe zu ersetzen oder zu
verbieten. Daher ist der Eintrag der Mikroschadstoffe ins Gewässer auch zukünftig unvermeidbar,
wenn diese nicht spätestens auf den kommunalen
Kläranlagen eliminiert werden. Entsprechende
erprobte Verfahrenstechniken sind verfügbar.
Die Angaben der Planer zur Auslegung einer Ozonanlage sind insgesamt in weiten Teilen vergleichbar. In den wesentlichen Festlegungen zur Auslegung der Ozonerzeugung und des Reaktorbeckens
gibt es keine großen Differenzen.
9.2 Vorbehandlung
Eine Stufe zur Mikroschadstoffelimination auf
Kläranlagen stellt die letzte Stufe vor der Einleitung in ein Gewässer dar. Eine effiziente Elimination der Mikroschadstoffe in Ozon- und Aktivkohleanlagen setzt die weitestgehende Behandlung in
der biologischen Stufe voraus. Insbesondere eine
hohe AFS-Fracht aufgrund einer unzureichenden
Nachklärung führt zu einem vermeidbaren erhöhten Einsatz an Ozon und Aktivkohle. Eine gut funktionierende Nachklärung bzw. ihre klärtechnische
Ertüchtigung ist daher Grundvoraussetzung für
den sparsamen Einsatz von Ozon oder Aktivkohle.
Die Auslegung der Ozonerzeugung und des Ozoneintrags erfolgt auf Grundlage der festzulegenden
spezifischen Ozonzehrung, die nach Angabe der
Planer zwischen 0,6 bis max. 1,0 g O3/g DOC
liegen sollte. Für die Auslegung einer Ozonanlage
ist die zu behandelnde Zulaufwassermenge festzulegen. Zur Ableitung der erforderlichen Kontaktzeit
werden Ozonzehrungsversuche empfohlen. Bei der
Festlegung des Reaktorvolumens und -designs ist
die tatsächliche Aufenthaltszeit des Wassers im
Reaktor, die Wahl der Kaskadierung und der Einbau
von Leitwänden zu berücksichtigen. Die Wahl des
Ozoneintragsystems hat ebenfalls Einfluss auf das
Design.
Die zulaufmengenproportionale Ozondosierung
ist eine einfach umsetzbare und robuste Steuerungsmethode für kleinere Anlagen < 100.000 EW.
Für die Messtechnik zur Optimierung der Steuerung bzw. Regelung des Ozoneintrags unter Berücksichtigung des schwankenden Zehrungspotenzials der Abwassermatrix werden verschiedene
Messtechniken genannt.
9
30
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
Fazit
Insgesamt kann keine allgemeingültige Empfehlung für ein optimiertes Steuer-/Regelkonzept
gegeben werden. Innovative Konzepte sollten zur
Entwicklung der Technik weiterhin erprobt werden.
Der Kenntnisstand zur biologischen Nachbehandlung bzw. zu entstehenden toxikologisch
wirksamen Konzentrationen an Transformationsprodukten ist gering. Von Seiten der Planer
wird eine biologische Nachbehandlung zurzeit
grundsätzlich als erforderlich erachtet. Neben der
Nutzung von vorhandenen Raumfilteranlagen oder
Schönungsteichen wird der Einsatz von Wirbelund Festbettreaktoren genannt.
9.4 PAK-Anlagen
Die übliche Spannweite der PAK-Dosierung wird
von den Planern zwischen 10 und 20 mg PAK/L
angegeben. Neben der Kohleart spielen eine ggf.
vorgesehene Rückführung der Kohle und der Dosierort eine Rolle im Hinblick auf die erforderliche
PAK-Dosierung.
Die Aufenthaltszeit im Kontaktbecken sollte
in der Regel mindestens 30 min betragen. Eine
kürzere Kontaktzeit ist ggf. unter Beachtung der
Adsorptionskinetik der zu sorbierenden Stoffe
möglich.
9
Das PAK-Absetzbecken ist auf eine Oberflächenbeschickung von qA = 2 m/h auszulegen. Neben
einem konventionell en Absetzbecken kommen
grundsätzlich noch alternative Verfahren in Frage,
die entweder, wie z. B. das Actiflo®-Verfahren, auf
einer optimierten Sedimentation der PAK oder auf
einer direkten Filtration basieren.
Zum Rückhalt feindisperser PAK ist nach einer
Sedimentation grundsätzlich eine Filtration nachzuschalten. Neben der Volumenfiltration sind
auch alternative Verfahren wie z. B. die Tuchfiltration möglich. Die Eignung dieser Verfahren zum
Rückhalt von PAK ist nachzuweisen.
9.5 GAK-Filter
Die erzielbaren Bettvolumina bis zum Austausch
bzw. Regenerierung der GAK sind stoffspezifisch
festzulegen. Bis jetzt existiert kein allgemeingültiges Kriterium zum Austausch des Filtermaterials.
Neben den Summenparametern CSB oder DOC
können standortspezifisch relevante Mikroschadstoffe herangezogen werden. In der Regel wird der
Stoffdurchbruch als konzentrationsbezogener
Wirkungsgrad für den Zu- und Ablauf des Filters
ermittelt.
Die zurzeit vorliegenden Erfahrungen deuten auf
eine Anzahl von 3.000 bis ca. 16.000 durchsetzbare Bettvolumina hin, bis die GAK ausgetauscht
oder regeneriert werden muss. Die vorherige
Durchführung von labor- und/oder halbtechnischen Versuchen zur Abschätzung der erzielbaren
Bettvolumina wird dringend empfohlen.
Anleitung zur Planung und Dimensionierung von Anlagen zur Mikroschadstoffelimination
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Shutterstock Bildagentur: Seite 26
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