Fundneider, Thomas (2020)
Filtration und Aktivkohleadsorption zur weitergehenden Aufbereitung von kommunalem Abwasser – Phosphor- und Spurenstoffentfernung –.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00012020
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Abwasser aus Kläranlagen enthält nach den konventionellen Verfahren Restkonzentrationen an organischen Substanzen, Nährstoffen (wie Phosphor und Stickstoff) und führt zu einem Eintragspfad für anthropogene organische Spurenstoffe, Mikrokunststoffe sowie (antibiotikaresistente) Bakterien und Gene. Steigende Qualitätsanforderungen und die wachsende Wasserknappheit verlangen zunehmend die weitergehende Aufbereitung von kommunalem Abwasser. Nachgeschaltete Filtrationsverfahren gekoppelt mit Aktivkohleadsorption bieten hierfür eine Lösungsmöglichkeit. Bestehende Verfahrenstechniken sowie die Abwasserzusammensetzung nehmen hierbei Einfluss auf die Effektivität und Notwendigkeit nachgeschalteter Verfahren. Die Untersuchungen zur weitergehenden Aufbereitung des Kläranlagenablaufs der vorliegenden Arbeit gliedern sich in (1) Charakterisierung des Kläranlagenablaufs und Ableitung von Surrogatparametern, (2) weitestgehende Phosphor- und Feststoffentfernung sowie (3) Aktivkohlefiltration. In Untersuchungsschwerpunkt (1) konnte gezeigt werden, dass sich der gesamt gelöste Phosphor (sTP) zu etwa 90 % aus gelöstem reaktiven Phosphor (sRP) und zu 10 % aus gelöstem nicht reaktiven Phosphor (sNRP) zusammensetzt, wobei sNRP = 51 ± 14 µg/l beträgt. sNRP nimmt direkten Einfluss auf die minimale TP-Ablaufkonzentration. Die Untersuchungen des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) ergaben, dass etwa 21,5 ± 8,2 % biologisch abbaubar sind und somit ein weiteres Potential für nachgeschaltete biologische Prozesse bietet. Basierend auf Adsorptionsanalysen konnte gezeigt werden, dass zum einen 20 ± 3 % des DOC nicht adsorbierbar sind und dass biologische Prozesse zur Abnahme der gut bis sehr gut absorbierenden DOC-Fraktionen (K > 100 (mg/g)·(l/mg)(1/n)) führen. Für die Erfassung von organischen Spurenstoffen und somit der Ableitung von repräsentativen Konzentrationen und Frachten, eignet sich die entwickelte Methode zur Erstellung von Wochen-Mischproben äquivalent zu 7 mal 24-Stunden-Mischproben. Zudem erfolgte die Herleitung von Indikatorsubstanzen (Amisulprid, Benzotriazol, Candesartan, Clarithromycin, Carbamazepin, Citalopram, Diclofenac, Hydrochlorothiazid, Irbesartan, Metoprolol, Summe 4.5-Methyl-1H-benzotriazol, Venlafaxin), die zur Prognose einer Vielzahl von Spurenstoffen dienen. Weiterhin erfolgte der Nachweis, dass der spektrale Absorptionskoeffizient bei 254 nm äquivalent zu den Verfahren Ozonung und Pulveraktivkohle auch bei (biologisch wirksamen) Aktivkohlefiltern als Surrogatparameter eingesetzt werden kann. Der Untersuchungsschwerpunkt (2) zeigt die Leistungsfähigkeit der Tuchfiltration (TF) und Mikro- (MF) und Ultrafiltration (UF) zur weitestgehenden Phosphor- und Feststoffentfernung. TF und die membranbasierten Verfahren erreichen TP << 100 µg/l. Ein Unterschied zwischen TF und MF beziehungsweise UF lag in Bezug auf die TP-Entfernung erst ab < 100 µg/l vor. Bei der TF kamen ebenfalls verschiedene Polstoffe (Mikrofaser (PES-14) und Ultrafaser (UFH-12)) zum Einsatz. Unabhängig von den eingesetzten Polstoffen lag TP << 100 µg/l, wobei sTP > 50 % betrug. Für sRP < 50 µg/l ist ein spezifischer Fällmittelbedarf (β-Wert) > 5 mol Me3+/mol P erforderlich. Hierbei beeinflussen die sRP-Ziel- und Ausgangskonzentration den β-Wert. Ein Unterschied zwischen eisen- und aluminiumhaltigen Fällmitteln wurde nicht festgestellt. Als Synergieeffekte nachgeschalteter Filtrationsverfahren konnte die weitergehende Entfernung von Mikrokunststoffen sowie in Kombination mit der Fällmittelzugabe eine Entfärbung des Abwassers nachgewiesen werden. Durch MF und UF zeigte sich zudem eine > 90 %ige Entfernung von Resistenzgenen und Bakterien. Filtrationsverfahren stellen somit eine Schlüsseltechnologie in Bezug auf die Minimierung der Phosphor- und Feststoffemissionen dar. Der Untersuchungsschwerpunkt (3) bewertet den Einfluss der Vorbehandlung, Aktivkohleauswahl, Leerbettkontaktzeit (EBCT) sowie biologische Prozesse in Aktivkohlefiltern. Für die Übertragbarkeit der Ergebnisse wurden Zu- und Ablauf der Aktivkohlefilter mittels Size Exclusion Chromatography mit Online-DOC- und UV254nm-Detektion untersucht sowie eine Bilanzierung des DOC, der in den Aktivkohlefiltern adsorbiert oder/und biologisch abgebaut wird, durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Hinweise für die Auslegung abgeleitet. Aktivkohlen mit einem hohen Meso- und Mikroporenanteil erwiesen sich bei DOC-Zulaufkonzentrationen < 7 mg/l in Schnellfilterversuchen, halb- und großtechnischen Versuchen als vorteilhaft für die Entfernung von Spurenstoffen. Aktivkohleunabhängig zeigte sich, dass die Adsorptionskapazität (bis zum Erreichen des Abbruchkriteriums) ab EBCT ≥ 20 min stagniert. Für die Auslegung von Aktivkohlefiltern ist somit eine EBCT ≥ 20 – 30 min heranzuziehen. Durch die Parallelschaltung von Filtern kann die Aktivkohleausnutzung weiterhin gesteigert werden, hierzu wurde eine potentielle Anfahrstrategie mit EBCT << 20 min bis zum Erreichen des Abbruchkriteriums mit anschließender Erhöhung auf >> 20min identifiziert. Bei einer weitestgehenden Feststoffentfernung im Zulauf (wie bei TF oder membranbasierten Verfahren) wird die Rückspülung von Aktivkohlefiltern maßgeblich durch die biologische Aktivität initiiert und liegt durchschnittlich bei 0,1 1/Wo (MF|UF) – 1,2 1/Wo (TF). Abwassertemperatur, Sauerstoff- und Nährstoffkonzentrationen sowie -verhältnisse tragen hierbei maßgeblich zur Verschiebung des Intervalls bei. Im Falle von Ammonium- und Nitrit-Stickstoff > 0,5 mg/l ist mit einer Zunahme der Rückspülhäufigkeit zu rechnen. Nach etwa 40 – 50 d konnte die Entfernung von schlecht adsorbierbaren Spurenstoffen basierend auf biologischen Prozessen nachgewiesen werden. Unter Ausnutzung der Adsorptionskapazität sowie biologischer Prozesse zeigte sich ein ähnlicher bis geringerer Aktivkohlebedarf bei Aktivkohlefiltern im Vergleich zu dem nachgeschalten Einsatz von Pulveraktivkohle. Das Potential zur biologischen Entfernung von Spurenstoffen, die schlecht bis mäßig adsorbierbar, jedoch biologischen Prozessen zugänglich sind, stellt ein Alleinstellungsmerkmal für biologisch wirksame Aktivkohlefilter dar.

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