AKTIFILT Plus (Spurenstoffentfernung durch die Kombination von Ozonung und Pulveraktivkohleadsorption mit anschliessender Raumfiltration)(Aktifilt Phase 2)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 523.26.15

Schlüsselwörter (Deutsch)

PAK-haltigen Schlammwasser, Filterrückspülung, ARA, biologische Reinigungsstufe, Ozonung und PAK-Dosierung, Filtration, Indikatorsubstanzen

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Aufbauend auf die Revision der Schweizer Gewässerschutzverordnung sollen rund 100 der insgesamt 700 Schweizer ARA so aufgerüstet werden, dass der Eintrag von schädlichen Mikroverunreinigungen in die Umwelt reduziert wird.

Als eine der wirksamsten Methoden zur Elimination von Mikroverunreinigungen aus dem Abwasser hat sich die Adsorption an Pulveraktivkohle (PAK) erwiesen. Im Projekt AKTIFILT, UTF 450.06.13, wurden verschiedene Verfahrensoptionen und die Nutzung bestehender Anlagekomponenten geprüft sowie die optimale Kombination von PAK mit Flockung/Fällung getestet.

Aufbauend auf diesen positiven Ergebnissen, soll nun mit diesem Folgeprojekt die optimale Verfahrenskombination der Ozon- und PAK-Dosierung untersucht werden.

Auf der ARA Basel sind Versuche geplant, um das Verfahren im Pilotmassstab zu testen und der Pro Rheno AG als Betreiberin dieser ARA sollen die Erkenntnisse aus dem Projekt die Entscheidung bei der Auswahl der anlagenspezifischen optimalen Technologie für die geplante Erweiterung um eine 4. Reinigungsstufe erleichtern. Auch das Amt für Industrielle Betriebe BL als Betreiberin mehrerer ARAs im Grossraum Basel wird von den Labor- und Pilotversuchen profitieren, indem sie die Ergebnisse auf andere ARAs übertragen und in den Fällen in die Planung zur anlagenspezifischen optimalen Technologie einbeziehen kann.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1     Laborergebnisse aus unterschiedlichen Abwässern der ARA Basel und ARA Ergolz 1 zeigen den Einfluss einer erhöhten Bromidkonzentration im Abwasser auf die Eignung zur Ozonung auf und lassen einen Vergleich der Wirksamkeit des Verfahrens bei verschiedenen Abwassertypen zu. Zur Bewertung der Spurenstoffelimination werden Wasserproben an der FHNW auf folgende Indikatorsubstanzen analysiert:
Amisulprid, Carbamazepin, Citalopram, Diclofenac, Hydrochlorothiazid, Metoprolol, Venlafaxin, Benzotriazol, Candesartan, Irbesartan, Mecoprop, Sulfamethoxazol.

Zudem ist der Einfluss der Ozonung auf das Flockungsverhalten mit Hilfe des FBRM-Messprinzips (Focused Beam Reflectance Measurement) untersucht.

2     Die Pilotanlage ist aufgebaut und in Betrieb genommen. Meilenstein 1.

3     Daten zur Auswirkung des Verhaltens der Ozonung und PAK-Dosierung im Einzelnen wie auch in Kombination auf das Flockungsverhalten und den Bedarf an Koagulant Fe₃ sind auf der Pilotanlage ARA Basel erhoben. Zudem wird die Bildung von Bromaten und anderen unerwünschten Nebenprodukten untersucht.

4     Daten zur Desinfektionsleistung der Ozonung auf der Pilotanlage ARA Basel sind anhand relevanter Indikator-Organismen im Labor der FHNW erhoben.

5     Zusätzlich zur Spurenstoffanalytik sind Daten für eine Bewertung der Reinigungsleistung der Pilotanlage ARA Basel über weitere Parameter wie Trübung, Gesamte Ungelöste Stoffe (GUS), UV-Absorption, gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) und Phosphor erhoben.

6     Die PAK Konzentration im Filterablauf ist quantifiziert und die an der FHNW entwickelte   Methode zur Quantifizierung von PAK im Ablauf mittels Thermogravimetrischer Analyse (TGA) ist validiert und weiterentwickelt sodass eine Bewertung des PAK- Schlupfes in der Raumfiltration ermöglicht wird.

7     Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 6 sowie einem Projektvorschlag zur Realisierung einer grosstechnischen Demonstrationsanlage und Empfehlungen zur grosstechnischen Umsetzung des kombinierten O₃/PAK-Verfahrens auf Schweizer ARAs.

8     Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets.

9     Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung.

Projektziele (Deutsch)

Auf der mit einer Rückführung des PAK-haltigen Schlammwassers aus der Filterrückspülung in die biologische Reinigungsstufe ausgestatteten Pilotanlage auf der ARA Basel sind Pilotversuche für die Verfahrenskombination von Ozon- und PAK-Dosierung durchgeführt, die optimalen Betriebsbedingungen zur Elimination von Mikroverunreinigungen und zur effizienten Prozessführung bestimmt und der PAK-Schlupf der Filtration ermittelt.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Im Forschungsprojekt wurde die Entfernung von Mikroverunreinigungen (MV) aus Abwasser im Labor- und Pilotmassstab untersucht. Dazu kam ein Kombinationsverfahren aus Ozonung, Pulveraktivkohle (PAK)-Adsorption und Raumfiltration zum Einsatz. Die geforderte 80%-ige Entfernung von Mikroverunreinigungen wurde mit einer durchschnittlichen Elimination von 93% in der MV-Stufe (d.h. Ozonung und PAK) und 95% in der gesamten Pilotanlage deutlich überschritten. Es zeigte sich in der Ozonungsstufe, dass die MV-Entfernung weitestgehend unabhängig von der Ozon (O₃)-Dosis war. Die mittlere Elimination der Indikatorstoffe gemäss Gewässerschutzverordnung betrug 84% in der Ozonung, wobei z.B. Diclofenac, Hydrochlorothiazid und Amisulprid besonders gut eliminierbar waren (>98%). Die MV-Adsorption in der PAK-Stufe verbesserte sich mit steigender Aktivkohledosis und erreichte >90% bei 2.25 g_PAK/g_DOC. Auffallend gut eliminierbar waren Irbesartan (80-97%) und Metoprolol (>95%), während die Eliminationsleistungen anderer Stoffe in der PAK-Stufe vergleichsweise gering waren. Es konnte gezeigt werden, dass die im Raumfilter akkumulierte PAK einen geringen Anteil zur MV-Entfernung beiträgt.

Die Raumfiltration erreichte im Ablauf PAK-Konzentrationen unter 0.4 mg/L. Unabhängig von der dosierten Ozon- und PAK-Menge wurde in der MV-Stufe der DOC um ca. 18% verringert. Da im Kombinationsverfahren vergleichsweise geringe Ozondosen <0.26 g/g_DOC eingesetzt wurden, lag die Bromatkonzentration in allen Wasserproben unterhalb der Nachweisgrenze.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Sowohl der Anlagenbetrieb als auch Probenahmen und Analytik zeigten sich unter den unterschiedlichen Betriebsbedingungen stabil. Auf Grundlage der Versuchsergebnisse erscheint die Dosierung von 0.15 g_O3/g_DOC, 7.5 g_PAK/g_DOC und zusätzlich 0.1 g_Fe/g_PAK als Fällmittel empfehlenswert. Für einen optimalen Anlagenbetrieb sind einerseits ausreichende Aufenthaltszeiten in den einzelnen Verfahrensstufen einzuhalten, andererseits empfiehlt es sich, die Betriebsmitteldosierung anhand von UV-Absorptionsmessungen (SAK₂₅₄) zu steuern. Beim kombinierten Verfahren lässt sich der Betriebsmitteleinsatz im Vergleich zu reinen Ozonungs- oder PAK-Prozessen reduzieren. Die Kombination von Oxidation und Adsorption führt ausserdem zu einer Breitbandwirkung, da einzelne Stoffe in der Ozonungs- und andere in der PAK-Stufe besser eliminierbar sind.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Einige Proben des im Projekt behandelten Abwassers werden durch die EAWAG noch mittels Non-Target-Analytik und durch das Ökotox-Zentrum in Hinblick auf das ökotoxikologische Wirkpotential untersucht. In zukünftigen Projekten zur MV-Entfernung mittels Ozonung empfiehlt es sich, durch detaillierte Messungen die Datenbasis zur Korrelation zwischen SAK₂₅₄-Reduktion und MV-Elimination zu erweitern und die Machbarkeit einer entsprechenden Regelung zu untersuchen. Zum Kombinationsverfahren Ozonung, PAK-Adsorption und Raumfiltration werden ab 2024 erste Betriebserfahrungen im Vollmassstab gesammelt werden, wenn die MV-Stufe auf der vom Projektpartner ProRheno betriebenen ARA Rhein den Betrieb aufnimmt.