Effiziente Spurenstoffelimination durch modulare 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-Mit­glied­staat­en in Kraft treten. Im vor­liegen­den Beitrag wird der daraus resul­tierende Hand­lungs­be­darf für Kläranlagenbetreiber:innen 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 zwölf Leit­sub­stanzen als Richtwert fest­gelegt. Demzu­folge müssen bei der Abwasser­be­hand­lung min­destens sechs der aufge­führten Sub­stanzen um min­destens 80 Prozent 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 bietet mehrere Vorteile: Auch bei ein­er schwank­enden Zusam­menset­zung der Verun­reini­gun­gen wird eine sta­bile und hohe Elim­i­na­tion­srate von über 80 Prozent 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 Kilo­wattstun­den pro Kilo­gramm 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 Werte des gelösten organ­is­chen Kohlen­stoffs nach der Sed­i­men­ta­tion von 5 bis 15 Mil­ligramm pro Liter mit ein­er Ozon-Dosierungsrate von 0,3 bis 0,8 Gramm Ozon pro Gramm gelösten organ­is­chen Kohlen­stoffs. Typ­is­che Kon­tak­tzeit­en liegen zwis­chen 20 und 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 dem höch­sten zu erwartenden Gehalt an gelöstem organ­is­chen Kohlen­stoff, um auch in Spitzen­zeit­en die Reduk­tion­sleis­tung erfüllen zu kön­nen. Diese Spitzen­last wird jedoch nur sel­ten benötigt. Unter­suchun­gen in mehreren Pilot­pro­jek­ten von ProMi­nent aus Hei­del­berg zeigen, dass in mehr als 75 Prozent der Betrieb­szeit von herkömm­lichen Anla­gen die erforder­liche Ozonka­paz­ität unter 50 Prozent der max­i­malen Ozon­leis­tung liegt. Nur in 12 Prozent der gesamten Betrieb­szeit wird die max­i­male Leis­tung benötigt. Gespräche mit Klärwerksbetreiber:innen 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 gerin­ger­er 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 Prozent. Die im vor­liegen­den Prax­is­beispiel einge­set­zte Ozo­nan­lage von ProMi­nent in Kom­bi­na­tion mit ein­er effizien­ten Ein­mis­chung ermöglicht eine deut­liche Verkürzung der Kon­tak­tzeit. Das bedeutet eine deut­liche Einsparung bei den Baukosten und let­ztlich auch der Kohlen­stoff­diox­id-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 Prozent 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.