Die Bedeutung der Reduktion von prioritären Stoffen aus Straßenabwässern nimmt im Zuge der fortschreitenden Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie zu. Zahlreiche Untersuchungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, wie stark Straßenabwasser mit Schwermetallen wie Cadmium, Kupfer, Blei und Zink sowie polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und Mineralölkohlenwasserstoffen (MKW) belastet ist.

Einen wichtigen Bestandteil der Niederschlagswasserbehandlung in NRW bilden die ca. 1.000 Regenklärbecken, von denen ca. 600 im Dauerstau betrieben werden. Regenklärbecken im Dauerstau (RKBmD) sind nahezu baugleich mit den RiStWag-Anlagen (Richtlinien für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wasserschutzgebieten), die für die Straßenentwässerung eingesetzt werden. Der Landesbetrieb Straßenbau NRW betreibt derzeit ca. 1.000 RiStWag-Anlagen.

Die Einleitungen aus diesen Becken stellen teilweise eine erhebliche Belastung für Gewässer und Versickerungsflächen dar. Über die Wirksamkeit ihres Rückhalts von Feinpartikeln (AFS_fein) gibt es bislang keine eindeutigen Aussagen.

Daher soll an zwei großtechnischen Beckenanlagen an der Bundesautobahn A 3, AS Dellbrück und AS Mülheim (östl. Kölner Autobahnring) untersucht werden, wie sich der Rückhalt des AFS_fein, ausgewählter Schwermetalle, PAK und MKW bei derzeitiger Ausgestaltung darstellt und ob sich der Rückhalt durch den Einsatz von „Floating Treatment Wetlands“ verbessern lässt. Dabei handelt es sich um bepflanzte Flöße, deren Bewuchs besonders lange Wurzeln im Wasser ausbildet. Es soll zudem untersucht werden, ob die Kombination von RiStWag-Anlagen mit Floating Treatment Wetlands (FTW) eine vergleichbare oder sogar verbesserte Reinigungsleistung gegenüber der Kombination von RiStWag-Anlagen mit RBF aufweist. Dabei sollen die Aspekte Regenerationsfähigkeit der Aufnahmekapazität von Schwermetallen, betrieblicher Aufwand und Kostenvergleichsrechnungen ebenfalls in die Bewertung aufgenommen werden.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen vergleichende Kostenrechnungen für die Kombination von RiStWag-Anlagen und RBF bezüglich AFS_fein und der Kombination von RiStWag-Anlagen mit FTW erstellt und deren Leistungsfähigkeit zum nachhaltigen Rückhalt der benannten Zielparameter beurteilt werden. Außerdem soll die mögliche Lebensdauer der Anlagen miteinander verglichen werden. Aus den Erfahrungen, die mit dem Betrieb gewonnen werden, sollen Handlungs- und Betriebsempfehlungen entwickelt werden.

Ansprechpartner

• RWTH Aachen University,
  Institut für Siedlungswasserwirtschaft, 
  Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp
• M.Sc. Jan Ruppelt
• Institut für Molekulare Ökologie der Rhizosphare (Bio 1)
  Univ.-Prof. Dr. Joost van Dongen
• Dr. Jos Schippers

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Im Rahmen der weitergehenden Abwasserreinigung wurden in den letzten Jahren verstärkt Verfahren umgesetzt, bei denen Pulveraktivkohle (PAK) zum Einsatz kommt. Die sichere Abtrennung der PAK ist ein wesentlicher Aspekt bei deren Anwendung um adsor­bierte Spurenstoffe nachhaltig aus dem Wasserkreis­lauf zu entfernen. Für den Nachweis von PAK im Klär­anlagenablauf fehlen jedoch praktikable Methoden, weshalb die Einführung eines Grenzwertes bislang nicht möglich ist. Im Rahmen des Projektes sollen ver­schiedene Methoden zum PAK-Nachweis weiterent­wickelt, vergleichend betrachtet und hinsichtlich ihrer Praktikabilität bewertet werden. Es werden drei Ver­fahren untersucht: die thermogravimetrische Analyse (TGA), die temperaturabhängige Differenzierung des Gesamtkohlenstoffs (Gradienten-TOC) sowie die Schwarzgradbestimmung nach Metzger (2010).

Ein Projektschwerpunkt liegt auf einer vergleichenden Be­trach­tung des Verfahrens der Schwarzgradbe­stimmung mit den Verfahren TGA und Gradienten-TOC; dazu erfolgen Laboruntersuchungen mit defi­nier­ten PAK-Dosen sowie Untersuchungen an der halb­technischen Kläranlage (HtK) in Neuss mit unbekann­tem PAK-Gehalt im Kläranlagenablauf.

In den letzten Jahren wurden bereits Untersuchungen zum PAK-Nachweis durchgeführt. Die Ergebnisse ab­ge­schlossener Untersuchungen bestätigen, dass die Methoden „TGA“ und „Gradienten-TOC“ mit einer vorab notwendigen Probenanreicherung, bislang durch Hydrozyklone (Vogel et al., 2015) oder Zentri­fugen, prinzipiell für den Nachweis von PAK im Abwas­ser geeignet sind. Daraus ergibt sich die Fragestellung, ob auch eine (weniger aufwendige) Filtration zur Pro­benanreicherung geeignet sein kann.

Innerhalb der hier vorgesehenen Untersuchungen soll die Probenanreicherung daher, analog zu den abfil­trier­baren Stoffen (AbwV, 2014), ausschließlich durch Filtration erfol­gen. Sollte sich diese für diverse Abwäs­ser für die Probenanreicherung und das Analysever­fahren als praktikabel erweisen, könnte ein gegenüber der Anreicherung durch Zentrifuge oder Hydrozyklon vergleichsweise einfaches Verfahren zur Probenan­reicherung zur Verfügung stehen.

Ansprechpartnerin

Dipl.-Ing. Susanne Malms

Institut für Siedlungswasserwirtschaft
RWTH Aachen
52056 Aachen

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Neuere Forschungsergebnisse bestätigen, dass kommunale Kläranlagen zwar viele Mikroschadstoffe aus dem Abwasser eliminieren können, die konventionellen Verfahren aber keine ausreichende Barriere für einige dieser Stoffe darstellen. Um den Rückhalt dieser Schadstoffe dennoch zu erreichen, ist eine Erweiterung der kommunalen Kläranlagen durch eine zusätzliche Eliminationsstufe erforderlich. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass hierzu insbesondere Ozonung und Aktivkohleadsorption geeignet sind. Die großtechnische Umsetzung dieser Technologien als sogenannte 4. Reinigungsstufe erfolgt derzeit an ausgesuchten Stellen mit finanzieller Förderung des Landes NRW. Hierbei zeigt sich, dass neben wichtigen ungelösten technischen Fragestellungen die Wirtschaftlichkeit der Umsetzung im Vordergrund steht und zunehmend diskutiert wird. Eine Kosten-Nutzen-Optimierung der Verfahrenstechnik und eine Verbesserung der Reinigungsleistung würde daher einen entscheidenden Beitrag für eine umfassendere Umsetzung der 4. Reinigungsstufe liefern.

Genau dies ist das Ziel des Projekts „Optimierter Einsatz von Pulveraktivkohle und Ultrafiltration als 4. Reinigungsstufe (UF/PAK 4.0)“. Die Reinigungsleistung von Kläranlagen soll durch eine hybride Prozesskombination hinsichtlich Mikroverunreinigungen und weiterer relevanter Parameter optimiert werden. Es sollen Synergien bei der Zusammenschaltung von Prozessen ausgenutzt werden, die es erlauben, den Gesamtprozess bei mindestens gleicher Leistungsfähigkeit wirtschaftlich günstiger zu gestalten.

Realisiert werden soll dies durch eine Pulveraktivkohle (PAK)-Adsorptionsstufe mit nachgeschalteter Ultrafiltrationsanlage zur Partikelseparation. Vorteil dieser Verfahrenskombination ist eine effizientere Mikroschadstoffelimination, gegeben durch die Möglichkeit, deutlich feiner vermahlene PAK verwenden zu können. Eine derartige PAK weist günstigere Eigenschaften in Bezug auf die Kinetik auf. Dadurch kann auf zusätzliche Behälter zur Erhöhung der Aufenthaltszeit der PAK verzichtet werden. Trotz ihrer Feinheit werden die Aktivkohlepartikel durch die folgende Membranfiltration vollständig entfernt und damit nicht der aquatischen Umwelt zugeführt. Beim Einsatz von Ultrafiltrationsmembranen kann zudem eine gleichzeitige Hygienisierung des gereinigten Abwassers in Bezug auf mikrobiologische Parameter und ggf. im Wasser befindlicher Mikroplastikpartikel erfolgen. Durch die Dosierung einer geringen Menge Flockungsmittel in den Zulauf der 4. Stufe kann zusätzlich die Phosphatelimination gezielt gesteigert werden.

Im Projekt UF/PAK 4.0 wird mittels Laboruntersuchungen und einer halbtechnischen Pilotierung die technologische Machbarkeit dieser hybriden Verfahrenskombination untersucht. Die ermittelten Daten werden außerdem verwendet, die Wirtschaftlichkeit einer Großanlage darzustellen. UF/PAK 4.0 dient damit der Weiterentwicklung des Stands der Technik im Bereich der Abwasserbehandlung und trägt maßgeblich dazu bei, die Qualität des gereinigten Abwassers und damit die Gewässerqualität nachhaltig zu verbessern.

Die Laborversuche im kleintechnischen Maßstab dienen dazu, wesentliche Rahmenbedingungen für die geplanten halbtechnischen Versuche zu ermitteln, um dadurch den Umfang der folgenden Pilotversuche auf ein Mindestmaß reduzieren zu können. Die Pilotversuche werden im Technikum der Emschergenossenschaft unter Verwendung einer PAK-UF-Pilotanlage durchgeführt. Dadurch können die Versuche unter realen Bedingungen mit gereinigtem kommunalem Abwasser durchgeführt werden, um eine möglichst hohe technische Vergleichbarkeit mit existierenden Anlagen zu gewährleisten. Zuletzt werden im Upscaling die bauliche Umsetzbarkeit, die Wirtschaftlichkeit inklusive der Investitions- und Betriebskosten  einer großtechnischen Umsetzung ermittelt.

Ansprechpartner

• Prof. Dr.-Ing. Stefan Panglisch
• Grit Hoffmann
• Universität Duisburg-Essen
  Fakultät für Ingenieurwissenschaften
  Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik/ Wassertechnik

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Um den Eintrag von Schadstoffen in die Umwelt zu verringern, bieten Kläranlagen einen guten Ansatzpunkt, da hier die anfallenden Abwässer gezielt behandelt werden können. Dabei hat sich die Ozonung als vierte Reinigungsstufen als sehr effektiv erwiesen. Allerdings entsteht hierbei eine Vielzahl verschiedener Transformationsprodukte, über deren Art und Wirkung wenig bekannt ist. Eine Gruppe von Schadstoffen bilden die endokrin aktiven Chemikalien, die in das Hormonsystem von Menschen und Tieren eingreifen können. Zu dieser Gruppe zählen neben den natürlichen Hormonen auch viele Industriechemikalien und Arzneimittel, die über die Abwässer in die Umwelt gelangen.

In Voruntersuchungen von Krankenhausabwässern des Kreiskrankenhauses Waldbröl (Bieling, 2011) und des Marienhospitals in Gelsenkirchen (IUTA und IWW, PILLS Project, 2012) wurde bei der Messung von östrogenen Effekten ein Anstieg der Östrogenität (gemessen als 17ß-Estradiol Äquivalentkonzentration, EEQ) nach der Ozonung beobachtet. Als Arbeitshypothese dient die Annahme, dass eine selektive Entfernung von Steroidrezeptorantagonisten (z. B. von antiöstrogen, androgen oder antiandrogen wirksame Arzneimittel wie Tamoxifen oder Flutamid) durch die Ozonierung deren inhibitorische Effekte aufhebt. Die Entfernung dieser maskierenden Effekte könnte dazu führen, dass die östrogene bzw. androgene Aktivität nach der Ozonierung sichtbar wird. Diese Effekte sollen durch die systematische Untersuchung zu östrogenen, antiöstrogenen sowie androgenen und antiandrogenen Effekten und die Kombination mit der Quantifizierung der im Krankenhaus eingesetzten hormonell wirkenden Medikamente aufgeklärt werden.

Hieraus werden neben der genauen Effektbeschreibung zu den einzelnen Proben am Beispiel Krankenhausabwasser auch Informationen zur Störanfälligkeit und Vergleichbarkeit der biologischen Assays für die Anwendung in hoch belasteten Abwässern erhoben. Die erzielten Ergebnisse sollen zur Optimierung der Anlagensteuerung und somit zur Optimierung der Reinigungsleistung genutzt werden.

Ansprechpartner

• Dr. Jochen Türk (Projektkoordinator)
  Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.
  Bliersheimer Straße 58-60
  47229 Duisburg
• Prof. Dr. Elke Dopp
  IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung
  Bereich Angewandte Mikrobiologie, Geschäftsfeld Toxikologie
  Moritzstrasse 26
  45476 Mülheim a.d. Ruhr
• Dr. Martin Wagner
  Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt
  Fachbereich Biowissenschaften, Institut für Ökologie, Evolution und Diversität
  Abteilung Aquatische Ökotoxikologie
  Max-von-Laue-Str. 13
  60438 Frankfurt
• Dipl.-Ing. Sven Lyko
  Emschergenossenschaft/Lippeverband
  Kronprinzenstraße 24
  45128 Essen

 

Zum jetzigen Zeitpunkt sind kommunale Kläranlagen überwiegend mit mechanisch-biologischen Verfahren zur Abwasserreinigung und mit der anschließenden Einleitung des gereinigten Abwassers über Vorfluter in Oberflächengewässer ausgestattet. Ausnahmen bilden lediglich wenige, in den letzten Jahren ausgebaute, Kläranlagen, die eine weitergehende Reinigung des Abwassers durch oxidative oder adsorptive Prozesse ermöglichen. Dabei liegt der Vorteil des Einsatzes von Aktivkohle in der Vermeidung der Bildung möglicher toxischer Oxidationsnebenprodukte. Diese Anlagen werden zur Untersuchung bezüglich der Eliminierungsleistung von Spurenstoffen eingesetzt. Die Überwachung der Elimination erfolgt überwiegend mittels chemischer Analytik, die jedoch den Nachteil hat, keine Aussagen über eine mögliche biologische Wirkung (z.B. endokrin) treffen zu können. Durch den Einsatz von biologischen Testverfahren kann dieses Aussagedefizit jedoch eliminiert werden.

Da das dynamische Verhalten eines Aktivkohleadsorbers bislang nicht voraussagbar ist, liegt das Ziel des Projektes beim Nachweis des Durchbruchs von Spurenstoffgemischen durch diese Aktivkohlefilter (Festbettadsorber mit granulierter Aktivkohle). Für diese Zwecke werden 3 Kläranlagen an unterschiedlichen Standorten beprobt. Mit Hilfe der geplanten Untersuchungen durch ökotoxikologische (akute bzw. chronische Toxizität mittels verschiedener Trophieebenen) und zellbasierte (MTT Test, ER Calux®, Umu Test, Mikrokern Test, L-YES) biologische Testverfahren soll der Durchbruch von Spurenstoffgemischen durch Aktivkohle-Festbettadsorber nachgewiesen werden. Zusätzlich zu den biologischen Testverfahren erfolgt eine Untersuchung einzelner anorganischer Parameter, sowie eine begleitende Analytik der Standardparameter für Kläranlagen. Die Einbindung der unterschiedlichen Kläranlagen erlaubt die Analyse verschiedener Verfahrenstechnologien und somit eine anlagenunspezifische Aussage. Die so erhaltenen Ergebnisse fließen zudem in Wirtschaftlichkeitsberechnungen ein. Aus der Gesamtheit der erhaltenen Daten soll abschließend eine Monitoringstrategie entwickelt werden, um bessere Voraussagen zur Laufzeit der Aktivkohlefilter (z.B. Funktionszustand, Beladungskapazität) mit dem Hintergrund einer möglichen Energie- und Kosteneinsparung durch den Anwender zu benennen.

Ansprechpartner

• Dr. Andreas Nahrstedt
• Prof. Dr. Elke Dopp

IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung mbH
Bereich Wassertechnologie/ Geschäftsfeld Toxikologie
Moritzstrasse 26
45476 Mülheim a.d. Ruhr

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Zur Entfernung von Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser wurden in den letzten Jahren weitergehende Verfahren großtechnisch umgesetzt. Auf kommunalen Kläranlagen, die zur Elimination von organischen Mikroverunreinigungen erweitert wurden und bei denen Pulveraktivkohle (PAK) zum Einsatz kommt, erfolgt bislang die Zugabe der PAK in eine der biologischen Stufe nachgeschaltete Adsorptionsstufe.

Ziel des FuE-Projektes SIMPAK sind Untersuchungen zur simultanen Aktivkohlezugabe in die biologische Reinigungsstufe. Insbesondere für Kläranlagen, die keine ausreichende Freifläche für Alternativverfahren haben, bzw. bei denen eine Nutzung von Bestandsbauwerken nicht möglich ist, könnte dieser Ansatz ein betrieblich einfaches, wirtschaftliches und vielerorts schnell umsetzbares Verfahren zur Elimination von Mikroverunreinigungen darstellen.

Anhand von Adsorptionsanalysen erfolgt die Beurteilung des Einflusses der Dosierstelle auf die Adsorption zur Festlegung der optimalen Dosierstelle in den halbtechnischen Untersuchungen.

Diese werden auf der Versuchskläranlage (HtK) des Landesamts für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV) in Neuss durchgeführt. Anhand von zwei parallel betriebenen Reinigungsstufen wird die Effizienz des Verfahrensansatzes untersucht.

Einen wesentlichen Aspekt stellt das Maß der Einbindung der PAK-Partikel in den belebten Schlamm bzw. die Vermeidung eines PAK-Abtriebs aus der Nachklärung dar; diese Fragestellungen sollen anhand mikroskopischer Bilder des belebten Schlammes sowie bspw. anhand der Schwarzgradbestimmung des Ablaufs der Nachklärung beantwortet werden.

Des Weiteren werden Untersuchungen zum Einfluss der Aktivkohlezugabe auf die biologischen Abbauprozesse sowie auf die Absetzeigenschaften des belebten Schlammes durchgeführt.

Im Rahmen der Untersuchungen wird geprüft, welche Aktivkohle-Dosis erforderlich ist, um annährend gleiche Eliminationsgrade wie bei den Verfahren mit nachgeschalteter Adsorptionsstufe (z.B. AFSF-Verfahren) zu erreichen. Die vermehrte Dosierung bzw. die erhöhten Betriebskosten kann/können ggf. durch die geringeren kalkulatorischen Kosten kompensiert werden.

Ansprechpartnerin

Dipl.-Ing. Susanne Malms

Institut für Siedlungswasserwirtschaft
RWTH Aachen
52056 Aachen

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Veranlassung

Durch eine verbesserte Analytik konnten in den letzten Jahren anthropogene Spurenstoffe ubiquitär in der Umwelt identifiziert werden. Diese, meist toxischen Substanzen, stellen eine besondere Herausforderung an die Abwasserreinigung, da sie durch herkömmliche biologische und mechanische Reinigungsprozesse nicht ausreichend aus dem Abwasser entfernt werden können. Die Adsorption mittels granulierter Aktivkohle (GAK) konnte sich als eine vielversprechende Methode zur Reduzierung der Spurenstoffe aus dem Abwasser herausstellen. Dabei durchfließt das gereinigte Abwasser das Filterbett, wobei Spurenstoffe durch adsorptive Kräfte an der Aktivkohleoberfläche gebunden und so aus dem Abwasser eliminiert werden. Neben den erzielten Bettvolumina als Maß der Adsorptionskapazität muss die hydraulische Leistungsfähigkeit der GAK-Filter gewährleistet sein, um einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. Die verwendeten Spülprogramme und Spülintervalle für die betriebenen GAK-Filter basieren auf rein betrieblichen Erfahrungen und folgen keinem Bemessungsansatz, da ein solcher derzeit noch nicht existiert. Das Arbeitsblatt DWA-203 „Abwasserfiltration“ ist hierzu aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften der GAK gegenüber herkömmlichen Filtermaterialien nicht anwendbar. Bisherige Studien an großtechnischen GAK-Filtern fokussierten sich nur auf die Adsorptionskapazität gegenüber Spurenstoffen und nicht auf die Messung von Feststoffbeladungen und Drücken im Filterbett, um eine maximale Feststoffkonzentration für die hydraulische Dimensionierung von GAK-Filtern zu ermitteln.

Vorgehensweise

Im Forschungsvorhaben SOLIDUS sollen erstmals bestehende großtechnische GAK-Filter auf vier kommunalen Kläranlagen (Obere Lutter, Köln Rodenkirchen, Gütersloh-Putzhagen und Bad Oeynhausen) unter gleichen Untersuchungsbedingungen hydraulisch charakterisiert werden. Ziel ist es, in enger Abstimmung mit den betriebserfahrenen beteiligten Betreibern aus den durchgeführten Messungen der Feststoffbeladungen und Druckverteilungen im Filterbett einen praxisnahen Bemessungsansatz hinsichtlich ihrer hydraulischen Leistungsfähigkeit zu erarbeiten. Über die Auswertung der ermittelten Daten sollen Rückspülintervalle, ein angepasstes Spülprogramm mit Spülwasser- und Druckluftmengen sowie optimale Raumbeladungen für einen effizienten, wirtschaftlichen und möglichst nachhaltigen Betrieb der GAK-Filter entwickelt werden. Dieser Bemessungsansatz würde die weitere Umrüstung großtechnischer Filter auf GAK-Filter zur weitergehenden Abwasserreinigung in Deutschland ermöglichen, da hiermit seitens der Planer, Betreiber und der Behörden erstmalig eine Bewertungsgrundlage geschaffen wird.

Ansprechpartner

Leitung:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Pinnekamp

Bearbeitung:
Swetlana Schölzel, M.Sc.
Dr.-Ing. Laurence Palmowski

Kooperationspartner:
Hydro-Ingenieure GmbH

Assoziierte Partner:
Kläranlage Obere Lutter
Kläranlage Köln Rodenkirchen
Kläranlage Gütersloh Putzhagen
Kläranlage Bad Oeynhausen

Finanzvolumen

Zuwendung durch das Land NRW: 143.909,87 €

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Zur Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser ist die Adsorption an Aktivkohle ein effizientes Verfahren. Auf konventionellen Kläranlagen ist neben dem AFSF-Verfahren eine direkte Dosierung der pulverisierten Aktivkohle in das Belebungsbecken möglich. Dabei entfällt der Bau des Kontaktreaktors und einer Sedimentationsstufe. Allerdings wird im konventionellen Belebtschlammverfahren nach heutigem Kenntnisstand in jedem Fall ein zusätzlicher Filter für den sicheren Rückhalt der Aktivkohle benötigt. Die simultane Dosierung von pulverisierter Aktivkohle in Membranbioreaktoren bietet den Vorteil des vollständigen Rückhalts der Aktivkohle ohne zusätzlichen Filter.

Ziel des Vorhabens sind Untersuchungen zur simultanen Aktivkohlezugabe in die Membranbioreaktoren (MBR) des Gruppenklärwerks Nordkanal in Kaarst. Anhand von zwei parallel betriebenen MBR (Versuchs- und Referenz-MBR) können die Auswirkungen der Aktivkohle auf die Membranbelebung und deren Reinigungsleistung untersucht werden.

Neben dem vertiefenden Nachweis der generellen Eignung des Verfahrens PAK-MBR zur Spurenstoffelimination und der Verbesserung der Ablaufqualität stehen vor allem die veränderten Eigenschaften des belebten Schlammes hinsichtlich seiner Filtrierbarkeit und seiner Eindick-/Entwässerungseigenschaften im Vordergrund.

Die einzusetzende Aktivkohle wird anhand von Kennzahlen und Adsorptionsmessungen ausgewählt und ihre Eignung während des Versuchsbetriebs eingehend evaluiert.

Durch Verwendung groß- und halbtechnischer Methoden zur Schlammeindickung und -entwässerung wird ein Vergleich des Verhaltens von belebten Schlämmen mit und ohne PAK in den gängigen Aggregaten möglich. Verlässliche Aussagen zum Betriebsaufwand und zu den Kosten der PAK-Dosierung können ebenfalls durch den großtechnischen Maßstab getroffen werden. Diese werden in einer allgemeinen Betriebsanweisung für Betreiber zusammengefasst.

Am Ende des Projektes steht eine eingehende und umfassende Bewertung des Verfahrens PAK-MBR und eine Abschätzung des Einsatzpotenzials in NRW als Grundlage für Entscheidungsprozesse kommunaler Abwasserentsorger in Bezug auf die vierte Reinigungsstufe zur Verfügung.

Durchführung:

• Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen University
• Erftverband
• Suez Water Technologies & Solutions

 

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Fünfzig Prozent der kommunalen Kläranlagen in NRW stellen für diejenigen Gewässer, in die sie einleiten, einen Hotspot für deren Belastung mit anthropogenen Mikroschadstoffen dar. Als bestmögliche Technologien zur Minderung des Eintrags der Mikroschadstoffe in aquatische Ökosysteme werden die oxidative Transformation der Zielstoffe mittels Ozonung und vor allem die adsorptive Entfernung durch Aktivkohle genannt. In Nordrhein-Westfalen wurde mindestens eine dieser beiden Technologien bereits in 11 Kläranlagen als vierte Reinigungsstufe implementiert. In 19 weiteren Kläranlagen wird derzeit die Planung ausgeführt. Sowohl in der Umsetzung als auch in der Planung überwiegt der Einsatz von Aktivkohle. Mit dem langfristigen Ziel, die Gewässerbelastung mit organischen Mikroschadstoffen zu verringern, wird in naher Zukunft durch wahrscheinliche gesetzliche Auflagen nach demokratischer Legitimation die Umrüstung oder der Neubau von weitergehenden Abwasserreinigungsanlagen deutlich ansteigen und damit auch der Einsatz von Aktivkohle in der Abwasserreinigung.

Seitens der Aktivkohlehersteller werden diverse Charakterisierungs-möglichkeiten verwendet, um den Herstellungs- und Reaktivierungsprozess standardisiert zu überwachen und so bei gleichem Rohstoff und gleichen Prozessbedingungen eine gleichbleibende Qualität des Endprodukts sicherzustellen. Für den Anwender dienen die Bewertungsmethoden dazu, eine Einordnung oder Vorauswahl der vorliegenden Aktivkohle hinsichtlich ihrer potenziellen Eignung für einen bestimmten Anwendungsfall zu ermöglichen. Zudem kann bei der Anlieferung der Aktivkohle die Produktqualität auch durch den Anwender in gewissen Grenzen geprüft werden. Aus diesem Grund werden für die Bewertung der Adsorptionsleistung von Aktivkohlen für einen Anwendungsfall in der Praxis von Anwendern, Lieferanten und Herstellern eine Vielzahl von Charakterisierungsmethoden herangezogen, welche in der Regel sowohl kosten- als auch zeitintensive Analysemethoden erfordern. Häufig werden zur Verbesserung der Aussagefähigkeit auch mehrere Methoden gleichzeitig angewendet, da bislang kein Parameter gefunden wurde, der für alle Anwendungen eine gleich gute Korrelation mit den Praxisdaten bezüglich der Entfernung organischer Mikroschadstoffe liefert. Allerdings sind sowohl die Auswahl der Methoden als auch teilweise deren Durchführung nicht standardisiert und Ergebnisse daher nicht vergleichbar.

Damit geht die Notwendigkeit für eine schnelle und kostengünstige Charakterisierung von sowohl Korn- als auch Pulveraktivkohlen zur Bewertung und Auswahl des für einen Anwendungsfall am besten geeigneten Produktes sowie die spätere Qualitätsüberwachung der Produkte einher. Ein solches Verfahren kann sowohl von Betreibern von Kläranlagen, als auch von Herstellern und Lieferanten zur Auswahl des für ihren Anwendungsfall geeigneten Produktes und auch zur Qualitätskontrolle bspw. von Aktivkohlelieferungen eingesetzt werden. Eine aussagekräftige Methode ist derzeit nicht vorhanden und demgemäß auch nicht im Einsatz. Hier setzt EsteBANA an, dessen Ziel es ist, ein derartiges standardisiertes Verfahren zu entwickeln.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Stefan Panglisch
 

Grit Hoffmann
Universität Duisburg-Essen Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik/ Wassertechnik

Allgemeines

Die Anforderungen an die Abwasserreinigung haben in den letzten Jahren stetig zugenommen und werden sich auch in Zukunft weiter verschärfen. Aufwendigere Techniken kommen dabei verstärkt zum Einsatz. Ein Verfahren, das nach dem derzeitigen Erkenntnisstand in Kombination mit anderen Anwendungen den höchsten Reinigungseffekt bezogen auf verschiedene Verunreinigungen erzielt, ist die Membrantechnik. Bedingt durch die im Vergleich zu anderen technischen Alternativen hohen Investitions- und Betriebskosten konnte sich dieses Verfahren jedoch in der heutigen Abwasserbehandlung nicht durchsetzen. Bei aktuellen Ausbauplanungen bzw. bei der Auswahl von Vorzugsvarianten im Rahmen von Machbarkeitsstudien kommt es daher nur selten zum Zuge.

Dennoch wird der Einsatz der Membrantechnik in der 4. Reinigungsstufe weiter intensiv diskutiert und an vielen Stellen als wichtig oder sogar notwendig erachtet. Hierbei haben sich insbesondere im Kontext der Etablierung der 4.Reinigungsstufe auf Kläranlagen sowie gesteigerter Anforderungen an die Ablaufwerte eine Reihe neuer Betrachtungsaspekte ergeben. So bietet die Membrantechnik in Kombination mit Pulveraktivkohle (PAK) oder Ozon die Möglichkeit, Spurenstoffe zu eliminieren und dabei die Kapazität der Kläranlage zu steigern. Besonders bei Kläranlagen mit einem geringen Platzangebot kann dies von den konkurrierenden Verfahren nicht umgesetzt werden. Ferner zeigen Studien, dass der höchste Rückhalt bezogen auf das Thema der multiresistenten Bakterien (ARB) und Gene (ARG) durch die Membrantechnik erzielt werden kann.

Ein seitens der Emschergenossenschaft entwickeltes Membran-Hybrid-Verfahrenskonzept (siehe Abbildung) kombiniert die Anwendung eines MBR-PAK-Verfahrens (Membranbelebungsverfahren mit einer PAK-Dosierung) mit der nachgeschalteten Variante MNNK-PAK (der Nachklärung nachgeschaltete Membran mit PAK-Dosierung), wodurch insgesamt eine kosteneffizientere Alternative entsteht. Durch die bedarfsgerechte Aufteilung des Abwasserstroms hinter der Belebung kann je nach Situation durch eine Entlastung der Nachklärung die Kapazität gesteigert oder der Verbrauch an PAK für die Spurenstoffelimination reduziert werden. Unabhängig von der Abwasserführung wird das Wasser bei dieser Verfahrensvariante bis zu einem Volumenstrom von QT (Trockenwetterzufluss) vollständig über die Membran gefahren, sodass multiresistente Bakterien und Gene signifikant zurückgehalten werden. Hierbei werden die Volumenströme entweder hinter der Nachklärung (QZul,NK) in die Membranstufe rückgeführt (QRück) und/oder direkt aus dem Ablauf der Belebung (QZul, MBR) membranfiltriert. Die Rücklaufschlämme aus dem Membranbecken (QRS,MBR) und der Nachklärung (QRS,NK) werden in die Belebung zurückgeführt. Somit würde auch bei Regenwasserzufluss die Differenz zwischen Misch- und Trockenwasserzufluss QM - QT mit PAK behandelt.

Berücksichtigt man neben der Effizienz der Aktivkohle hinsichtlich der Elimination von Spurenstoffen auch ihren ökologischen Fußabdruck sowie die möglicherweise entstehende Knappheit von Rohstoffen bei ihrer zunehmenden Verwendung, zeigt sich der kombinierte Einsatz von Ozon und Membran als interessante Alternative. Ein Einsatz der Ozonung im Ablauf einer Membran hätte dabei verschiedene Vorteile sowohl in Bezug auf die Elimination der Spurenstoffe als auch auf den Rückhalt der multiresistenten Bakterien. Forschungen haben gezeigt, dass die äußere Membran der Bakterien bei der Ozonung beschädigt wird, sodass Resistenz-Gene als Bruchstücke ins Wasser gelangen können.

Nach bisherigem Stand kann der Rückhalt dieser Gene durch die UF-Membran nicht sichergestellt werden - durch die Verfahrensführung mit einer der Ozonung vorgeschalteten UF werden die Bakterien jedoch vorher aus dem Wasser entfernt. Ferner hat sich gezeigt, dass der organische Hintergrund im Wasserstrom durch eine der Membran vorgeschaltete Zugabe eines Fällmittels weiter gesenkt wird, wodurch die zur Oxidation der Spurenstoffe benötigte Ozondosis reduziert werden kann. Innerhalb des Forschungsvorhabens soll somit ebenfalls die Kombination einer Membran mit Ozon im Pilotmaßstab unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte wie Fällmittelbedarf, Ozonzehrung, benötigte Ozondosis zur Spurenstoffelimination, Optimierung des Membranbetriebs und Entfernung von Phosphor untersucht werden.

Neben den Investitionskosten sind für den Bau einer Anlage zur weitergehenden Abwasserreinigung auch die Betriebskosten sowie Betriebserfahrungen von sehr großer Bedeutung. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, noch offene Fragestellungen für die Verfahrenskombinationen zu klären, sodass eine Umsetzung vorgenommen und realisiert werden kann. Durch den bewusst groß gewählten Maßstab können die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse auf eine reale Anlage übertragen werden. Die hier gewonnenen Erkenntnisse helfen nicht nur bei dem späteren Betrieb, sondern auch bei der Dimensionierung und Genehmigung einer solchen Verfahrenskombination.