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Mikroschadstoff-Wiki

Über das Wiki

Im passwortgeschützen Wiki-Bereich der Mikroschadstoffplattform werden Ergebnisse aus diversen Messprogrammen hinsichtlich Mikroschadstoffe gesammelt und zur Verfügung gestellt.

Dazu zählen im Wesentlichen:

Zu- und Abläufe von kommunalen Kläranlagen: Im Rahmen von allgemeinen Screenings oder Machbarkeitsstudien zur Integration einer weitergehenden Spurenstoffelimination sind verschiedene Spurenstoffe in Zu- und Abläufen von kommunalen Kläranlagen gemessen worden.

Oberflächengewässer: Wasserrahmenrichtlinie/Prioritäre Stoffe, Messung von Spurenstoffen in Oberflächengewässern gesetzlich verankert; durchgeführt und organisiert werden diese Messungen in der Regel durch die zuständige Umweltbehörde.

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Adsorptiv
GAK - Granulierte Aktivkohle
PAK - Pulveraktivkohle
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AOP: Photo-Fenton
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Thema Mikroschadstoffe

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Veranlassung und Beschreibung Problematik Spurenstoffe​

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Mikroschadstoff-Plattform für die Großregion

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Mechanismus Adsorption

Die verschiedenen Adsorptionsverfahren basieren auf einem Gleichgewichtsprozess, bei dem sich im Abwasser gelöste Substanzen bis zu einem Gleichgewichtszustand auf der Oberfläche eines Adsorptionsmittels anlagern.

Die zu entfernenden Stoffe werden als Adsorptiv bezeichnet und das Adsorptionsmittel wird als Adsorbens bezeichnet. 

Löst sich das Adsorptiv wieder vom Adsorbens, wird dieser Vorgang als Desorption bezeichnet. 

In der kommunalen Abwasserreinigung wird als Adsorbens Aktivkohle eingesetzt. Die mit Schadstoffen beladene Aktivkohle muss anschließend aus dem System entnommen werden. Die Umsetzung erfolgt entweder über Dosierung von Pulveraktivkohle (PAK), die mit dem Schlamm entnommen wird oder über eine Festbettfiltration mit granulierter Aktivkohle (GAK), die regelmäßig ausgetauscht wird.

Die Adsorption an Aktivkohle erfolgt in Abhängigkeit der bereits vorhandenen Beladung der Aktivkohle sowie der Konzentration der Mikroschadstoffe im Abwasser. Je geringer die gewünschte Restkonzentration ist, desto geringer wird die Aktivkohle beladen und umso höher ist die erforderliche Menge an Aktivkohle.

Für die Herstellung der Aktivkohle können verschiedene Rohmaterialien verwendet werden, wie zum Beispiel Kohle, Torf oder Holz. Die notwendigen Produktionsschritte bestehen im Wesentlichen aus dem Verkoken, also einer Pyrolyse, sowie der thermischen Aktivierung. Dadurch entsteht ein Material mit einer verhältnismäßig großen inneren Oberfläche.

Granulierte Aktivkohle

Der Einsatz von granulierter Aktivkohle erfolgt als Raumfilter, indem das zu behandelnde Abwasser durch einen mit GAK gefüllten Filter bzw. Adsorber geführt wird. Diese können als geschlossene Druckfilter oder als offene Filter ausgeführt werden; kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.

Die GAK verbleibt solange in dem Raumfilter bis die Beladungskapazität der Aktivkohle erschöpft ist. Der Einsatz von granulierten Aktivkohlen in Festbettfiltern ermöglicht eine thermische Reaktivierung der mit Schadstoffen beladenen Aktivkohlen.  Wie ein herkömmlicher Raumfilter wird der GAK-Filter regelmäßig rückgespült. Er wird jedoch mit geringerer Filtergeschwindigkeit betrieben.

GAK-Filter werden, wie die anderen Verfahren, hinter die Nachklärung angeordnet und sind schon auf diversen Kläranlagen in Nordrhein-Westfalen und Baden-Württemberg in Betrieb.

Weitere Informationen:

Betriebliche Aspekte zu GAK (VSA)

Pulveraktivkohle

Bei der PAK-Anwendung wird Aktivkohle in Pulverform dem Reinigungsprozess zugegeben. Pulveraktivkohle kann auf drei verschiedene Möglichkeiten eingesetzt werden.

Das technisch einfachste Verfahren, welches jedoch den höchsten PAK-Verbrauch aufweist, ist die Dosierung direkt in die biologische Stufe. Zum sicheren Rückhalt der PAK wird zusätzlich zur Dosieranlage ein nachgeschalteter Filter benötigt.

Die Dosierung kann auch unmittelbar vor dem Filter erfolgen. Bei der Dosierung vor den Filter wird weniger PAK benötigt, jedoch ist ein Kontaktbecken erforderlich.
Das baulich aufwendigste Verfahren ist die PAK-Dosierung in eine separate Stufe, auch „Ulmer Verfahren“ genannt. Hier wird die wenigste PAK benötigt, jedoch ein Kontaktbecken, ein Sedimentationsbecken und einen nachgeschalteten Filter.
Die PAK-Dosierung vor den Filter und eine separate Adsorptionsstufe sind nachgeschaltete Verfahren im Anschluss an die Nachklärung. Die Simultan-Dosierung in die Biologie greift hingegen in den bestehenden Klärprozess ein.

Das Ulmer Verfahren wurde bislang am häufigsten baulich realisiert, jedoch sind in die beiden anderen Möglichkeiten ebenfalls realisiert und auf verschiedenen Kläranlagen in Betrieb.

(1) Simultandosierung in die Biologie
(2) PAK-Dosierung vor den Filter
(3) Dosierung in eine separate Adsorptionsstufe – Ulmer Verfahren

Mechanismus Oxidation

Durch oxidative Verfahren werden gelöste Substanzen durch die Zugabe verschiedener Oxidationsmittel chemisch verändert und dabei partiell oxidiert, wodurch Produkte ohne oder mit reduzierter schädlicher Wirkung entstehen. Eine vollständige Mineralisierung wird in der Regel nicht erreicht.

Die Oxidation kann beispielsweise durch Zugabe von Ozon (O3) erfolgen. Neben der direkten Reaktion von Ozon mit Wasserinhaltsstoffen wirkt dieses auch indirekt über den Zerfall in reaktive Hydroxyl-Radikale, welche ebenfalls gelöste Substanzen oxidieren.

Bei dieser Teiloxidation verlieren die Mikroschadstoffe ihre ursprüngliche Wirkung und werden meist in kleinere Moleküle, die sogenannten Oxidationsprodukte, aufgespalten. Teilweise entstehen bei der Oxidation unerwünschte Transformationsprodukte, die eine schädlichere Wirkung als ihre Ausgangssubstanzen haben können.

Der Einsatz von Ozon erfordert einen nachgeschalteten biologischen Abbau der gebildeten Oxidationsprodukte. Die Nachbehandlung kann zum Beispiel aus einem Raumfilter mit Sand-Füllung bestehen.

Neben Ozon werden auch Erweiterte Oxidationsverfahren, die sogenannten „Advanced Oxidation Processes“ (AOP) eingesetzt. Dabei werden gezielt Hydroxyl-Radikale gebildet, die zu einer zusätzlichen  Oxidation der Mikroschadstoffe   führen. Mögliche AOPs sind Ozon/ UV, Wasserstoffperoxid/UV und Photo-Fenton. In dem Projekt CoMinGreat wurde der Einsatz von Photo-Fenton in Kombination mit einem Bodenfilter als Pilotanlage betrieben und untersucht.

Ozonung

Bei der Ozonung erfolgt die Oxidation durch die Zugabe von Ozon (O3) zu dem Abwasser. Die wesentlichen Vorgänge sind dabei der Kontakt zwischen Abwasser und Ozon, die Nachbehandlung sowie die Restozonvernichtung.

Ozon ist sehr instabil und muss daher vor Ort aus Sauerstoff (Luft oder Reinsauerstoff) erzeugt und direkt verwendet werden. Der Ozoneintrag in das Abwasser erfolgt entweder über Diffusoren oder Drallmischer. Es ist sicherzustellen, dass die Kontaktzeit ausreichend lang ist, sodass die Durchmischung und die Reaktion selbst ablaufen können.

Ozon ist ein stark oxidierendes und reizendes Gas, daher muss überschüssiges Ozon in dem Abgas vernichtet werden.

Eine Ozonung einschließlich Nachbehandlung zur weitergehenden Elimination von Mikroschadstoffen wird hinter die Nachklärung angeordnet. Ozon reagiert auch mit den organischen (zum Beispiel CSB, DOC) und mit den anorganischen Abwasserinhaltsstoffen (zum Beispiel Nitrit).  Da Ozon sowie die entstehenden Hydroxyl-Radikale unselektiv mit den Abwasserinhaltsstoffen reagieren, ist eine möglichst weitgehende Reduktion der oxidierbaren Abwasserinhaltsstoffe  wie Stickstoff und Kohlenstoff in der biologischen Stufe der Kläranlage erforderlich.

Weitere Informationen:

Sicherheitsaspekte zum Umgang mit Ozon auf Kläranlagen – Faktenblatt (VSA)

AOP: Photo-Fenton

Der Photo-Fenton Prozess zählt zu den Advanced Oxidation Processes (AOP) und dient zur Oxidation von Mikroschadstoffen.

Dazu wird dem Abwasser Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel, Eisen als Katalysator sowie ein Komplexbildner zugesetzt. Zudem erfolgt eine Bestrahlung mit UV-Licht, wodurch mit dem Wasserstoffperoxid Hydroxyl-Radikale gebildet werden.

Die entstandenen Hydroxyl-Radikale  und das Wasserstoffperoxid oxidieren die Mikroschadstoffe, sodass diese in der Nachbehandlung eliminiert werden können.

Der Photo-Fenton Prozess ist derzeit nicht großtechnisch auf einer Kläranlage umgesetzt.

Im Projekt CoMinGreat wurde der Photo-Fenton-Prozess in Kombination mit nachgeschalteten Bodenfiltern als Pilotanlage untersucht.

Derzeit werden weitere AOPs in der Forschung untersucht.

Mechanismen Naturnahe Verfahren

Unter den naturnahen Verfahren sind für die gezielte Elimination von Mikroschadstoffen insbesondere bewachsene (bepflanzte) Bodenfiltern geeignet. Diese werden (als `Pflanzenkläranlagen`) seit mehreren Jahrzehnten als effiziente und wirtschaftliche Alternative zu den klassischen Verfahren der kommunalen Abwasserbehandlung, vorwiegend zum Abbau von Kohlenstoffverbindungen (BSB und CSB), zur Stickstoff- sowie zur Phosphorelimination eingesetzt. Daneben finden Bodenfilter auch zur weitergehenden Reinigung von Mischwasser, angeordnet hinter Regenentlastungsanlagen, Anwendung. In der Regel werden die Bodenfilter mit einem Festbett aus grob sandigem Material gefüllt und sind mit Schilf oder Sumpfpflanzen bewachsen. Die Zufuhr des Abwassers erfolgt oberirdisch, die Durchströmung vertikal oder horizontal mit weitgehend feststofffreiem Abwasser. Die Reinigungsvorgänge sind sehr komplex und ein Zusammenspiel unterschiedlichster Prozesse wie bspw. Adsorption, bakterieller Abbau, Photodegradation (Abbau unter dem Einfluss von UV-Licht), Phytodegradation (Aufnahme bzw. Abbau durch die Pflanzen) sowie enzymatischen Vorgängen.

Seit einigen Jahren werden bewachsene Bodenfilter, dann meist mit speziellen Substraten als Zuschlagstoffe, auch zum gezielten Abbau von Mikroschadstoffen eingesetzt. Ein interessanter Ansatz zum gezielten Einsatz von Bodenfiltern mit solchen speziellen Substraten findet sich bei einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekt, bei dem Pflanzenkohle als Substratbeimischung dem Bodenfilter zugegeben wurde. Hierbei wurden sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der weitergehenden Elimination von Pharmazeutika erzielt.

Bodenfilter

Bodenfilter werden derzeit hauptsächlich als Retentionsbodenfilter zur weitergehenden Mischwasserbehandlung eingesetzt. Aus diversen Untersuchungen ist jedoch bekannt, dass auch Mikroschadstoffe zurückgehalten werden können. Insbesondere für kleine Kläranlagen im ländlichen Raum stellt der Bodenfilter aufgrund seines geringen Betriebsaufwands eine Alternative zu technischen Verfahren dar.

Soll der Bodenfilter zur Rückhaltung von Mikroschadstoffen dienen, werden in der Filterschicht diverse Zuschlagsstoffe wie GAK (Granulierte Aktivkohle), Zeolithe oder aktivierte Biokohle eingesetzt. Hauptsächlich besteht die Filterschicht aus Filtersand.

Die Bepflanzung erfolge im Projekt CoMinGreat mit Schilfrohr und Sumpf-Schwertlilie. Das Filtersubstrat bestand aus Sand mit aktivierter Biokohle.

Die Beschickung mit Abwasser erfolgt intermittierend mit Pausen von mehreren Stunden. Während der Pausen kann Luft und damit Sauerstoff in das Innere des Bodenfilters gelangen, sodass auch aerobe Prozesse wie die Nitrifikation oder der heterotrophe Abbau von Kohlenstoffverbindungen stattfinden können.

Das Abwasser durchfließt den Bodenfilter vertikal.

Kombination Photo-Fenton und Bodenfilter

Ähnlich zur Ozonung benötigt das Photo-Fenton-Verfahren ebenfalls eine Nachbehandlung. Diese Nachbehandlung kann auch ein naturnahes Verfahren wie der Bodenfilter sein.

Kombination Ozonung und GAK

Nach Ozonungsanlagen zur Entfernung von Mikroschadstoffen werden in der Regel Raumfilter geschalten, die mit Anthrazit und oder Sand gefüllt sind. Um oxidative und adsorptive Prozesse optimal zu nutzen, kann hinter eine Ozonung auch ein GAK-Raumfilter geschalten werden. So kann durch niedrigere Ozondosierung gezielt eine Bromatbildung vorgebeugt werden. Die in der Ozonung schlecht oder nicht elimierbaren Substanzen werden anschließend adsorptiv an die GAK gebunden. Da durch die Ozonung bereits ein Großteil der Mikroschadstoffe durch die Ozonung entfernt wurde, kann die GAK deutlich länger im Raumfilter im Einsatz bleiben.

Die Kombination der beiden Verfahren ist baulich bislang auf wenigen Anlagen realisiert. Für zahlreiche Kläranlagen befindet sich jedoch eine solche Kombi-Anlage in Planung.