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Effiziente Spurenstoffelimination mit modularer Ozonanlage

Juni 2024

Aufgrund der neuen EU-Kommunalabwasserrichtlinie werden zahlreiche Kläranlagen eine zusätzliche Reinigungsstufe zur Elimination von Spurenstoffen integrieren müssen.

Positive Ergebnisse aus Praxiseinsatz in Kläranlage

Effiziente Spurenstoffelimination mit modularer Ozonanlage

Aufgrund der neuen EU-Kommunalabwasserrichtlinie werden zahlreiche Kläranlagen eine zusätzliche Reinigungsstufe zur Elimination von Spurenstoffen integrieren müssen. Nach dem Stand der Technik und Erfahrungen aus der Praxis bietet die Ozonung mit nachfolgender Filtrationsstufe eine der effizientesten Viertbehandlungen, um die neuen Vorgaben erzielen zu können. Mit der hier betrachteten modularen Systemlösung kann flexibel auf stark schwankende Abwassermengen und Zusammensetzungen reagiert werden. Kläranlagen erreichen damit das gleiche oder ein besseres Reinigungsergebnis mit geringerem Aufwand und zu reduzierten Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen Ozonanlagen.

Neue Kommunalabwasserrichtlinie

Voraussichtlich im Herbst 2024 wird die Neufassung der Richtlinie für alle EU-Mitglied-staaten in Kraft treten. Im vorliegenden Beitrag wird der daraus resultierende Handlungsbedarf für Kläranlagenbetreiber in Deutschland hinsichtlich der Viertbehandlung von Abwasser erörtert. Artikel 8 der neuen Richtlinie definiert die Anforderungen zur Elimination von Spurenstoffen bis zum Jahr 2045 für Kläranlagen der Größenklasse 5 (über 150.000 Einwohner; bundesweit rund 240 Kläranlagen) sowie für Kläranlagen kleinerer Gemeinden, welche in sensitive Gewässer einleiten.

Spurenstoffe im Abwasser

Zu den anthropogenen Spurenstoffen, auch als Mikroverunreinigungen oder Mikroschadstoffe bezeichnet, zählen Arznei-, Pflanzenschutz- und Reinigungsmittel, Kosmetikprodukte sowie Industriechemikalien. In den meisten Kläranlagen werden diese Spurenstoffe zurzeit noch nicht oder nicht vollständig abgebaut und zurückgehalten. Auch wenn die human- und ökotoxikologische Wirkung einzelner Stoffe in Studien bereits untersucht wurde, ist bisher noch sehr wenig bekannt, welche Auswirkungen der „Cocktail“ verschiedener Stoffe im Wasser haben könnte. Die neue Richtlinie hat jetzt 12 Leitsubstanzen als Richtwert festgelegt. Demzufolge müssen bei der Abwasserbehandlung mindestens sechs der aufgeführten Substanzen um mindestens 80% reduziert werden. Exemplarisch seien hier das Schmerzmittel Diclofenac und das Korrosionsschutzmittel Benzotriazol genannt.

Verfahren zur Spurenstoffelimination

Die Adsorption an Aktivkohle und die Ozonung in Kombination mit einer nachfolgenden Filtrationsstufe wird seit mehreren Jahren in Deutschland eingesetzt. Weitere, meist oxidative Verfahren sind Gegenstand von Forschungsprojekten, die sich jedoch unter wirtschaftlichen Aspekten momentan noch nicht für die Anwendung in Kläranlagen eignen.

Die Ozonung in Kombination mit granulierter Aktivkohle (GAK) bietet mehrere Vorteile: Auch bei einer schwankenden Zusammensetzung der Verunreinigungen wird eine stabile und hohe Eliminationsrate von über 80% erreicht. Vor der Aktivkohlebehandlung werden oxidierbare und teilweise adsorbierbare Stoffe beseitigt. Dies führt zu einem besseren Abbau der Spurenstoffe und deutlich längerer Nutzungsdauer der Aktivkohle.

Herausforderungen bei der Anlagenauswahl

Die wirtschaftlichste Lösung hängt vor allem von der Zusammensetzung des Abwassers und der darin vorhandenen Konzentration der Spurenstoffe ab. Starke Schwankungen in der Wasserzusammensetzung und der Durchflussmenge verursachen große Abweichungen bei der erforderlichen Ozonkapazität.

Jeder Ozongenerator hat einen optimalen Betriebspunkt, bei dem die Betriebskosten minimal sind. Dieser optimale Betriebspunkt hängt ab von der Ozonleistung und -konzentration sowie den lokalen Strom-, Sauerstoff- und Kühlwasserkosten. Der optimale Wirkungsgrad im Nennbetrieb sollte bei weniger als 8 kWh/kg Ozon liegen. Eine dynamische Modulation des Sauerstoff- und Stromverbrauchs in Abhängigkeit von den lokalen Kosten trägt somit erheblich zur Minimierung der Gesamtbetriebskosten bei.

Vergleich modulare zu herkömmlicher Ozonanlage

Die bestimmenden Parameter für die Auslegung der erforderlichen Ozonmenge sind DOC-Werte nach der Sedimentation von 5-15mg/l mit einer Ozon-Dosierungsrate von 0,3-0,8 g Ozon/g DOC. Typische Kontaktzeiten liegen zwischen 20-30 Minuten. Besondere Beachtung gilt der Bromat-Bildung, worauf später in diesem Beitrag eingegangen wird.

Zur Auslegung der Ozonanlagen orientiert man sich in der Regel an dem maximalen Abwasservolumenstrom und den höchsten zu erwartenden DOC-Gehalt, um auch in Spitzenzeiten die Reduktionsleistung erfüllen zu können. Diese Spitzenlast wird jedoch nur selten benötigt. Untersuchungen in mehreren Pilotprojekten von ProMinent GmbH aus Heidelberg zeigen, dass in mehr als 75% der Betriebszeit von herkömmlichen Anlagen die erforderliche Ozonkapazität unter 50% der maximalen Ozonleistung liegt. Nur in 12% der gesamten Betriebszeit wird die maximale Leistung benötigt. Gespräche mit Klärwerksbetreibern bestätigen diese Ergebnisse. Da die Effizienz eines Ozongenerators von der erforderlichen Ozonleistung abhängt, ist eine solche Anlage für den Rest eines Betriebsjahres quasi überdimensioniert.

Wesentlich effizienter arbeitet im Vergleich dazu ein modulares System: Im betrachteten Pilotprojekt können bis zu 16 autarke Ozonerzeugungsmodule je nach Ozonbedarf individuell aktiviert werden. Insbesondere bei Betrieb im mittleren und unteren Leistungsbereich senkt die modulare Anlage den Energieverbrauch erheblich.

Deutliche Verringerung der Kontaktzeiten

Bisher sind für eine wirksame Elimination von Spurenstoffen bei maximalem Durchfluss Kontaktzeiten von 20 bis 30 Minuten üblich. Das erfordert große Kontaktbehälter aus Beton und Stahl, die hohe Baukosten verursachen und erheblichen Platz benötigen. Das Pilotprojekt in einer luxemburgischen Kläranlage mit dem modularen System hingegen liefert positive Ergebnisse trotz deutlich geringeren Kontaktzeiten. Dabei ist die Zusammensetzung des Abwassers aufgrund der unterschiedlichen Quellen (privat und industriell) eine enorme Herausforderung, da es organisch und chemisch mit hohen Bromidkonzentrationen belastet ist.

Entscheidend für die Eliminationsleistung ist die Kombination aus effizienter Einmischung und einer bedarfsgesteuerten Ozonerzeugung. Dies ermöglicht eine deutliche Reduktion der Kontaktzeit auf nur noch fünf Minuten ohne jegliche Einbußen bei der Reduktionsleistung.

Positive Ergebnisse mit modularem System

Die Auswertungen der laufenden Pilotprojekte belegen die Effizienz von modularen Ozonanlagen als Viertbehandlung. Systeme, die Ozonung und Aktivkohle kombinieren, erreichen eine Abbaurate der Spurenstoffe von über 80%. Die im vorliegenden Praxisbeispiel eingesetzte Ozonanlage der ProMinent GmbH in Kombination mit einer effizienten Einmischung ermöglicht eine deutliche Verkürzung der Kontaktzeit. Das bedeutet eine deutliche Einsparung bei den Baukosten und letztlich auch der CO2-Emissionen.

Je nach Abwassermatrix und Anforderungen an die Reinigungsleistung kann das betrachtete System aufgrund der zu- und abschaltbaren Module jederzeit an Schwankungen flexibel angepasst werden. Dank der modularen Bauweise können bestehende Anlagen einfach erweitert, ausgetauscht oder nachgerüstet werden. Die äußerst kompakte Bauweise ermöglicht nachweislich bis zu 70% weniger Platz. Die genannten Vorteile führen somit zu einer signifikanten Minimierung der Investitions- und Betriebskosten.

Die Pilotanlage in Luxemburg zeigt zudem einen besonders positiven Nebeneffekt: Das eingeleitete Abwasser aus dem Industriegebiet enthält Bromid. Bei der Behandlung mit Ozon kann potenziell schädliches Bromat entstehen. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch, dass durch die gute Regelung der Ozonanlage in Verbindung mit dem Drallmischer zum Ozoneintrag und der vorliegenden Wassermatrix trotz der hohen Bromid-Konzentrationen die Bromat-Bildung vernachlässigt werden kann.

Literaturverzeichnis / Quellenangaben

Als Informationsquellen für den vorliegenden Artikel wurden Publikationen folgender Institutionen und Verbände genutzt: UBA, BMU, KomS BW, VKU, DWA, Statistisches Bundesamt. Eigene Erhebungen der ProMinent GmbH aus den genannten Pilotprojekten sind ebenfalls Grundlage dieses Beitrags.

Autoren: Egbert Hocke, Verfahrensentwickler Wasseraufbereitung und Wolfgang Matheis, Produktmanager Ozon, beide ProMinent GmbH, Heidelberg.

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