schlussbericht tp 2b - 02wa1023 - cleaner production · the retention of the pac can be directly...

Erweiterung kommunaler Kläranlagen durch eine adsorptive Stufe

zur Elimination organischer Spurenstoffe

Abschlussbericht

Teilprojekt 2B

Optimierung der Pulveraktivkohleabtrennung durch

Filtration als Grundlage zur Anlagendimensionierung

gefördert durch das

Bundesministerium für Bildung und Forschung

Förderkennzeichen 02WA1023

Sachbearbeiter:

Dipl.-Ing.(FH) S. Metzger Dipl.-Ing.(FH) A. Rößler

Hochschule Biberach

Fachbereich Bauingenieurwesen und Projektmanagement Institut für GEO und UMWELT

Lehrgebiet Siedlungswasserwirtschaft: Prof. Dr.-Ing. Helmut Kapp

Januar 2011

BMBF-Vordr. 3831/03.07_2

Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN

2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung)

Schlussbericht

3. Titel

Verbundprojekt: Entwicklung einer adsorptiven Stufe zur Elimination organischer Spurenstoffe auf kommunalen Kläranlagen

Teilprojekt 2B: Optimierung der Pulveraktivkohleabtrennung durch Filtration als Grundlage zur Anlagendimensionierung

5. Abschlussdatum des Vorhabens

31.07.2010

6. Veröffentlichungsdatum

4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)]

Dipl.-Ing. (FH) Steffen Metzger

Dipl.-Ing. (FH) Annette Rößler

Prof. Dr.-Ing. Helmut Kapp

7. Form der Publikation

9. Ber. Nr. Durchführende Institution

10. Förderkennzeichen

02WA1023

8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)

Hochschule Biberach

Institut für GEO und UMWELT

Karlstr. 11

88400 Biberach 11. Seitenzahl

83

13. Literaturangaben

17

14. Tabellen

2

12. Fördernde Institution (Name, Adresse)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

53170 Bonn

15. Abbildungen

41

16. Zusätzliche Angaben

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)

18. Kurzfassung Nach derzeitigen wissenschaftlichen Erkenntnissen eignen sich sowohl oxidative als auch adsorptive Verfahrenstechniken um Spurenstoffe im kommunalen Abwasser zu reduzieren. Im Rahmen eines vom Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr Baden-Württemberg geförderten FuE-Vorhaben konnte gezeigt werden, dass bereits mit einer Dosiermenge von 10 mg/L Pulveraktivkohle (PAC) eine Vielzahl von Spurenstoffen in hohem Umfang aus dem Abwasser entfernt werden kann. Die Anwendung von PAC erfordert allerdings eine weitestgehende Abtrennung des Adsorbens.

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Abtrennung der PAC in der bisher entwickelten Anlagenkonfiguration, bestehend aus Adsorptionsstufe und Zweischichtfiltration, zu untersuchen und zu optimieren. Im Rahmen der Durchlaufversuche wurden neben einer frischen PAC drei bereits beladene, aufgemahlene Kornkohlen eingesetzt.

Für eine weitestgehende PAC-Abtrennung eignen sich sowohl aluminiumhaltige als auch eisenbasierende Fällprodukte. Die Art der Hilfsstoffe als auch die Dosiermenge haben keine signifikanten Auswirkungen auf die Reinigungsleistung in der Adsorptionsstufe. Der Rückhalt der PAC kann gezielt über die Dosiermenge der beiden Hilfsstoffe "Fällmittel" und "Polymere" beeinflusst werden. Die Anordnung der beiden Hilfsstoffdosierungen zueinander hat einen Einfluss auf die Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe.

Für einen weitestgehendne PAC-Rückhalt müssen vor der Filtration dauerhaft Metallsalze zugegeben werden. Der gewählte Schichtenaufbau des Filterbetts hat sich für einen dauerhaften PAC-Rückhalt bewährt. Durch die weitestgehende Feststoffabtrennung ist eine Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit, gemessen am Abwasser der Nachklärung, je nach Parameter und Betrieb des Filters um bis zu zwei "log-Stufen" gegeben.

Die gewonnenen Ergebnisse stellen Erkenntnisse zum Bau und Betrieb einer adsorptiven Verfahrenstechnik zur Entfernung von Spurenstoffen aus dem Abwasser dar.

19. Schlagwörter

Weitergehende Abwasserreinigung, Pulveraktivkohle, Feststoffabtrennung

20. Verlag

21. Preis

BMBF-Vordr. 3831/03.07_2

Document Control Sheet

1. ISBN or ISSN

2. type of document (e.g. report, publication)

Final report

3. title

Joint research project: Development of an adsorptive treatment for elimination of organic micropollutants in municipal sewage works

Sub-project 2B: Optimisation of the separation of powdered activated carbon by filtration as a basis for sizing

5. end of project

31.07.2010

6. publication date

4. author(s) (family name, first name(s))

Dipl.-Ing. (FH) Steffen Metzger

Dipl.-Ing. (FH) Annette Rößler

Prof. Dr.-Ing. Helmut Kapp

7. form of publication

9. originator’s report no.

10. reference no.

02WA1023

8. performing organization(s) (name, address)

Hochschule Biberach

Institut für GEO und UMWELT

Karlstr. 11

88400 Biberach 11. no. of pages

83

13. no. of references

17

14. no. of tables

2

12. sponsoring agency (name, address)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

53170 Bonn

15. no. of figures

41

16. supplementary notes

17. presented at (title, place, date)

18. abstract According to current scientific knowledge micropollutants in municipal wastewater can be reduced with both oxidative and adsorptive process technologies. A R&D project funded by the Ministry for the Environment, Nature Protection and Transport Baden-Württemberg has shown that with as little as 10 mg/L powdered activated carbon (PAC), the removal efficiency for a variety of micropollutants is very high. The use of PAC, however, requires a mostly complete separation of the adsorbent. The aim of the research project was the investigation and optimisation of the PAC separation in the previously developed system configuration consisting of an adsorption step and a two-layer filtration. The flow attempts included in addition to a fresh PAC the use of three already charged, milled grain coals. Both aluminum-containing and iron-based flocculants are suitable for the mostly complete separation of the PAC. The type and the amount of the additives don’t have a significant impact on the purification efficiency in the adsorption step. The retention of the PAC can be directly influenced by the dosage of the two additives “flocculant” and “polymers”. The configuration of the two dosed additives to each other has an influence on the separation of solids in the adsorption step. The mostly complete retention of the PAC in the filter must be ensured by the permanent use of metallic salts. The selected materials of the filter bed and the heights of the layers have been proven for a permanent retention of the PAC. The mostly complete separation of solids in the sand filter improves also the hygienic quality of the wastewater compared to the effluent of the secondary sedimentation. The improvement depends on the operation of the filter and it is up to two “log steps” for the different parameters. The obtained results provide knowledge for the construction and operation of an adsorptive process technology for the removal of micropollutants from wastewater.

19. keywords

Advanced wastewater treatment, powdered activated carbon, separation of solids

20. publisher

21. price

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WA1023 gefördert.

Die Verantwortung für den Inhalt dieses Berichtes liegt bei den Autoren.

Inhaltsverzeichnis 1

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ..................................................................................................................1

1 Zielsetzungen der Untersuchungen ................................................................................3

1.1 Einführung .................................................................................................................................................3 1.2 Verfahrenstechnik......................................................................................................................................4 1.3 Untersuchungsumfang und Vorgehensweise ............................................................................................5

2 Methodik ............................................................................................................................7

2.1 Versuchsanlage .........................................................................................................................................7 2.1.1 Adsorptionsstufe.............................................................................................................................8 2.1.2 Sandfilter ........................................................................................................................................8 2.1.3 Dosierstellen der Hilfsstoffe ............................................................................................................9

2.1.3.1 Adsorptionsstufe ..............................................................................................................9 2.1.3.2 Filtration .........................................................................................................................10

2.2 Eingesetzte Hilfsstoffe und Pulveraktivkohlen .........................................................................................10 2.3 Beurteilungsmaßstab...............................................................................................................................11 2.4 Beurteilung der Feststoffabtrennung........................................................................................................11

2.4.1 Untersuchte Einflussfaktoren........................................................................................................11 2.4.2 Messmethoden zur Beurteilung und Bewertung der Feststoffabtrennung ....................................12

2.5 Laboruntersuchungen..............................................................................................................................14 2.6 Online-Messtechnik .................................................................................................................................15

3 Einsatz von Eisen (Fe3+) als Fällmittel...........................................................................16

3.1 Laboruntersuchungen..............................................................................................................................16 3.2 Durchlaufbetrieb ......................................................................................................................................17

3.2.1 DOC .............................................................................................................................................17 3.2.2 Spurenstoffe .................................................................................................................................18 3.2.3 Abfiltrierbare Stoffe.......................................................................................................................19 3.2.4 Schlammindex ..............................................................................................................................20 3.2.5 Phosphor ......................................................................................................................................21

4 Optimierung der Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe.................................22

4.1 Variation der Fällmitteldosiermenge ........................................................................................................22 4.2 Variation der Fällmitteldosierstelle ...........................................................................................................23 4.3 Variation der Polymerdosiermenge..........................................................................................................26

4.3.1 Einfluss auf die Feststoffabtrennung ............................................................................................26 4.3.2 Einfluss auf das Absetzverhalten sowie den Schlammvolumenindex...........................................27

4.4 Einfluss der Optimierung der Feststoffabtrennung auf die Spurenstoffentfernung...................................28 4.4.1 Hinweis zu den Untersuchungen ..................................................................................................28 4.4.2 Einfluss Fällmitteldosiermenge.....................................................................................................28 4.4.3 Einfluss Fällmitteldosierstelle........................................................................................................29 4.4.4 Einfluss Polymerdosiermenge ......................................................................................................29

Inhaltsverzeichnis 2

5 Optimierung der Feststoffabtrennung in der Filteranlage ..........................................31

5.1 Begriffsdefinition ......................................................................................................................................31 5.2 Feststoffabtrennung.................................................................................................................................32

5.2.1 Einfluss der Fällmittelzugabe........................................................................................................32 5.2.2 Einfluss der Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe ............................................................33 5.2.3 Einfluss der Filtergeschwindigkeit.................................................................................................34

5.3 Einfluss auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers...................................................................35 5.3.1 Untersuchte Parameter ................................................................................................................35 5.3.2 Bezugsmaßstab............................................................................................................................35 5.3.3 Einfluss der Filtergeschwindigkeit.................................................................................................36 5.3.4 Einfluss des spezifischen Durchsatzes.........................................................................................37 5.3.5 Einfluss der Filterlaufzeit ..............................................................................................................39 5.3.6 Einfluss der Fällmitteldosierung....................................................................................................41

5.4 Partikelmessung ......................................................................................................................................42 5.5 Betriebliche Aspekte ................................................................................................................................44

5.5.1 Filterlaufzeit ..................................................................................................................................44 5.5.2 Einlagerungsverhalten innerhalb des Filterbetts...........................................................................45 5.5.3 Einlagerung bei unterschiedlichen Filtergeschwindigkeiten..........................................................45 5.5.4 Einfluss des Einlagerungsverhaltens auf die Feststoffqualität im Filtrat .......................................47

6 Einsatz von aufgemahlenen, bereits beladenen Kornkohlen .....................................50

6.1 DOC-Entnahme .......................................................................................................................................50 6.1.1 Standversuch................................................................................................................................50 6.1.2 Durchlaufbetrieb ...........................................................................................................................51

6.2 Schlammindex .........................................................................................................................................52 6.3 Feststoffabtrennung.................................................................................................................................53

6.3.1 Adsorptionsstufe...........................................................................................................................53 6.3.2 Sandfilter ......................................................................................................................................54

7 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerung ..................56

Literaturverzeichnis .............................................................................................................62

Anlagenverzeichnis..............................................................................................................64

Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................79

Tabellenverzeichnis .............................................................................................................82

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ................................................................................83

Zielsetzungen der Untersuchungen

3

1 Zielsetzungen der Untersuchungen Zielsetzungen der Untersuchungen

1.1 Einführung

Aus zahlreichen Studien ist bekannt, dass Kläranlagen als einer der Hauptemittenten für das Vorkommen von organischen Spurenstoffen in den Gewässern gelten [Ternes, 2001; Sacher et al., 2005]. Wissenschaftlichen Untersuchungen zufolge werden Spurenstoffe durch die in der kommunalen Abwasserreinigung typischen angewandten mechanisch-biologischen Reinigungsverfahren nur in geringem Umfang aus dem Abwasser entfernt [Fahlenkamp et al., 2004]. Eine gezielte Entnahme dieser Substanzen ist mit denen dem Stand der Technik entsprechenden Verfahrenstechniken nicht möglich. Untersuchungen zufolge eignen sich unter Einbeziehung des Aspektes der Realisierbarkeit sowohl oxidative als auch adsorptive Verfahren um Spurenstoffe in erheblichem Umfang im Abwasser zu reduzieren [Siegrist & Joss, 2006; Bahr et al., 2007; Cornel, 2007; Metzger et al., 2009; Abegglen et al,. 2010].

Im Rahmen eines vom Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr Baden-Württemberg geförderten FuE-Vorhaben wurde untersucht, inwiefern mit dem Einsatz von Pulveraktivkohle (PAC) unterschiedliche organische Spurenstoffe aus dem kommunalen Abwasser entfernt werden können. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass bei An-wendung der effizientesten Verfahrenstechnik bereits mit einer Dosierung von 10 mg/L PAC Arzneimittelwirkstoffe zu jeweils etwa 90 Prozent aus dem Abwasser entnommen werden. Nicht-ionische Röntgenkontrastmittel (RKM), als besonders persistente Stoffgruppe, weisen bei gleicher Adsorbensmenge eine Entnahme von rund 70 Prozent auf. Zudem konnte ein deutlicher Rückgang der hormonartigen Wirkung des Abwassers festgestellt werden. Der Einsatz von 10 mg/L PAC hat zudem eine Verringerung der nach biologischer Behandlung gelösten Restorganik von ca. 45 Prozent zur Folge, wobei die prozentuale Entnahme un-abhängig von der vorhandenen Restverschmutzung ist [Metzger, 2010].

Die Anwendung von PAC hat im Vergleich zum Einsatz von Kornkohle den Vorteil, dass die frische PAC gezielt bzw. der Abwassersituation angepasst zugegeben werden kann. Zudem weist die PAC eine schnellere Adsorptionskinetik aufgrund ihres geringen Korndurchmessers auf. Ein Nachteil der pulverförmigen Anwendungsform hingegen ist der technisch not-wendige Aufwand zur Abtrennung der PAC [Kümmel & Worch, 1990].

Eine weitestgehende Feststoff- bzw. PAC-Abtrennung ist im Bereich der kommunalen Klär-technik Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung einer PAC-Verfahrenstechnik in den technischen Maßstab. Zudem basiert die angewandte Verfahrenstechnik auf der An-

Zielsetzungen der Untersuchungen 4

reicherung und ständigen Kreislaufführung von PAC innerhalb einer separaten, adsorptiven Reinigungsstufe. Um einen regelbaren Betrieb sowie eine nahezu feststofffreie Abwasser-ablaufqualität dauerhaft sicherzustellen zu können, muss die Abtrennung der PAC gezielt beeinflusst bzw. gesteuert werden können.

Die Abtrennung der PAC erfolgt bei der angewandten adsorptiven Verfahrenstechnik primär durch Flockung und Sedimentation. Allerdings kann die PAC allein durch Absetzvorgänge nur unzureichend zurückgehalten werden, so dass der adsorptiven Stufe (sog. „Adsorptions-stufe“) als letzte Barriere eine Flockungsfiltration nachzuschalten ist.

Zur Flockenbildung sowie zum Absetzen werden dem Abwasser Metallsalze und Flockungs-hilfsmittel (Polymere) zudosiert. In Anlehnung an die chemische Phosphorelimination werden die Metallsalze im Nachfolgenden auch als Fällmittel bezeichnet.

1.2 Verfahrenstechnik

Kennzeichnend für eine effiziente Anwendung der Pulveraktivkohle in der kommunalen Klär-technik ist deren Anwendung im Gegenstromprinzip: Die frische PAC wird zunächst in die der biologischen Stufe nachgeschaltete Adsorptionsstufe zugegeben, nach erfolgter Be-ladung abgezogen und im Anschluss in die biologische Stufe zurückgefördert (Abbildung 1-1). Die Ausschleusung der PAC aus dem Reinigungssystem erfolgt mit dem Abzug des Überschussschlamms aus der Biologie.

MechanischeStufe

BiologischeStufe

Adsorptions-stufe

Filtration

Abbildung 1-1: Verfahrensprinzip und Anordnung des adsorptiven Reinigungsverfahrens in der kommunalen Klärtechnik

Die Adsorptionsstufe besteht aus einem als dreistufige Kaskade ausgebildeten Kontakt-reaktor und einem nachgeschalteten Sedimentationsbecken. Um im Sedimentationsbecken

Zielsetzungen der Untersuchungen

5

die PAC besser abtrennen zu können, wird dem biologisch gereinigten Abwasser Fällmittel zum Aufbau einer abtrennbaren Flocke zudosiert. Die frische PAC wird direkt in den Kontakt-reaktor zugegeben. Um eine verbesserte Abtrennung des feinen Kohlestaubs zu erzielen, wird dem „Kohle-Schlamm-Gemisch“ nach dem Kontaktreaktor Flockungshilfsmittel zu-dosiert. Der im Sedimentationsbecken abgesetzte „Kohle-Schlamm“ wird zur Mehrfach-beladung als „Rücklaufkohle“ wieder in das erste Becken des Kontaktreaktors zurückgeführt. Die Entnahme des „Kohle-Schlamm-Gemischs“ aus der Adsorptionsstufe erfolgt als „Über-schusskohle“.

Um die aus dem Sedimentationsbecken abtreibenden Feinstpartikel besser im nach-geschalteten Sandfilter zurückhalten zu können, muss vor dem Filter nochmals Fällmittel zu-gegeben werden (Prinzip der Flockungsfiltration). Das aus dem Filterbetrieb anfallende Spülabwasser, und damit die zurückgehaltene PAC mit samt den entstandenen Fällmittel-flocken wird zur weiteren Ausnutzung der restlichen Adsorptionskapazität ebenso wie die „Überschusskohle“ in die biologische Reinigungsstufe zurückgeführt.

1.3 Untersuchungsumfang und Vorgehensweise

Abbildung 1-2 zeigt schematisch die drei Schwerpunkte auf, die im Rahmen des durch-geführten FuE-Vorhabens in Form von Durchlaufversuchen an der halbtechnischen Ver-suchsanlage im Klärwerk Steinhäule untersucht wurden.

Bei den bisherigen Untersuchungen wurde zur Flockenbildung immer ein Produkt auf Aluminiumbasis angewandt. Im Rahmen des vom BMBF geförderten FuE-Vorhabens soll in einem ersten Schritt geprüft werden, ob mit dem Einsatz von Eisensalzen ähnliche Ergeb-nisse erzielt werden können, wie mit dem Einsatz von Produkten auf Aluminiumbasis. Neben der Feststoffabtrennung sollen gleichzeitig die Reinigungsleistung sowie betriebliche Aspekte untersucht und bewertet werden.

Im Rahmen des zweiten Untersuchungsabschnitts soll die Feststoffabtrennung optimiert werden, wobei die Abtrennung in den beiden Reinigungsstufen primär voneinander getrennt zu betrachten ist: In der Adsorptionsstufe ist ein gezielter Rückhalt der PAC zur An-reicherung und ständigen Kreislaufführung des Adsorbens zu gewährleisten. Diese An-forderung in Bezug auf die Feststoffabtrennung ist allerdings nicht zu vergleichen mit der zu erreichenden Abwasserqualität nach der Filtration. Um in der Adsorptionsstufe einen ge-regelten Betrieb sicherstellen zu können, ist im Ablauf des Sedimentationsbeckens durchaus eine Konzentration an abfiltrierbaren Stoffen (AFS) von mehreren Milligramm pro Liter hin-nehmbar, wobei der Gehalt an AFS kleiner sein muss, als die Menge der zudosierten bzw. zufließenden sowie gebildeten Feststoffe (= AFS aus der Nachklärung, PAC und deren an-gelagerte Substanzen sowie entstehende Flocken aufgrund Fällmittelzugabe). Die Filtration hingegen hat die Aufgabe die PAC nahezu vollständig zurückzuhalten. Diese Anforderung ist aufgrund der Mahlfeinheit von PAC mit der Bedingung einer „praktisch kompletten“ Fest-stoffabtrennung gleichzusetzen. Als „Richtgröße“ dient ein AFS-Gehalt nach der Filtration von kleiner 1 mg/L. Daneben ist zu untersuchen, ob ein Zusammenhang zwischen der Ab-trennleistung in der Adsorptionsstufe und dem zu erzielenden Feststoffrückhalt durch die Filtration gegeben ist.

Bei der Optimierung der Feststoffabtrennung ist zu berücksichtigen, dass die Zugabe der Hilfsstoffe ebenso einen Einfluss auf betriebliche Belange der beiden Reinigungsstufen sowie möglicherweise Auswirkungen auf die Entnahme der gelösten Restorganik bzw.

Zielsetzungen der Untersuchungen 6

Spurenstoffe hat. Demnach ist zu hinterfragen, ob aus einer verbesserten Feststoff-abtrennung betriebliche sowie reinigungsspezifische Nachteile in Bezug auf die Entfernung der gelösten Restorganik resultieren.

Parallel zu den Untersuchungsabschnitten 1 und 2 wurden Daten für die Simulations-rechnung (Teilprojekt 1B) erhoben.

In beiden Untersuchungsabschnitten wurde die PAC „SAE Super“ der Firma Norit verwendet.

EignungEisenprodukt1

- Feststoffabtrennung

- Reinigungsleistung

- betriebliche AspekteOptimierung Feststoff-

abtrennung

2

- Dosiermengen

- Dosierstellen

- Filterbetrieb

Vergleich mit Einsatzvon Aluminiumprodukten

Wasserwerks-kohlen3

- Reinigungsleistung

- Feststoffabtrennung

- betriebliche Aspekte

Einsatz eines Eisenproduktes als Fällmittel

Norit „SAE Super“ drei aufgemahlene Kornkohlen

= Vergleichsmaßstab

= Reinigungsleistung

Anwendungder Erkenntnisseund Vergleichsmaßstab

Abbildung 1-2: Untersuchungsumfang und Vorgehensweise

Im Rahmen des dritten Untersuchungsabschnittes wurden drei verschiedene Wasserwerks-kohlen eingesetzt. Die Auswahl der eingesetzten Aktivkohlen sowie das Aufmahlen wurde vom Technologiezentrum Wasser (TZW) durchgeführt. Schwerpunkt des Abschnitts bildeten die Untersuchungen zur Reinigungsleistung der Aktivkohlen im Durchlaufbetrieb. Für den Vergleich zur Anwendung frischer PAC wurden die Messergebnisse des Abschnittes 1 herangezogen. Die Untersuchungen wurden bei optimiertem Betrieb der Feststoffabtrennung durchgeführt. Aufgrund der unterschiedlichen Korngrößenverteilung der eingesetzten Aktiv-kohlen kann geprüft werden, inwiefern die Mahlfeinheit einer PAC Auswirkungen auf die Feststoffabtrennung hat.

In allen drei Untersuchungsabschnitten wurde das gleiche Eisenprodukt als Fällmittel ein-gesetzt.

Methodik

7

2 Methodik Methodik

2.1 Versuchsanlage

Abbildung 2-1 zeigt den Aufbau sowie die messtechnische Ausstattung der Versuchsanlage im Klärwerk Steinhäule, Neu-Ulm. Die Anordnung der Dosierstellen für die beiden im Bereich der Adsorptionsstufe zur Abtrennung der PAC notwendigen Hilfsstoffe ist in Abbildung 2-2 dargestellt.

Reaktionsraum

Sedimentation

FiltrationPulveraktivkohle

Fällmittel

Fällmittel, Flockungshilfsmittel(variabel)

NKB

F

TOC

Pges

Trübung

pH

Leitfähigkeit

Temperatur

SB

Trübung

TOC

SAK

Trübung

Probenahmestelle 24-h-Mischprobe

eingebauter IDM

Messstelle für Online-Messgeräte

NKB = Ablauf Nachklärbecken SB = Ablauf SedimentationsbeckenF = Ablauf Filtration

Adsorptionsstufe

Spülwasser-speicher

Zwischenbehälter

Filtersäule

Kontaktreaktor

Verteil-bauwerk

Sedi.-becken 1

Sedi.-becken 2

Sedi.-becken 3

Überschuss-kohle

Abbildung 2-1: Aufbau der Versuchsanlage

Methodik 8

Für die Beurteilung der Reinigungsleistung der beiden Behandlungsstufen werden im Zu- und Ablauf der Adsorptionsstufe sowie im Ablauf der Zweischichtfiltration auf den Zulauf der Versuchsanlage bezogene mengenproportionale 24-h-Mischproben gezogen.

Tabelle 2-1 listet die wesentlichen Dimensionen der Versuchsanlage auf.

Tabelle 2-1: Dimensionen der Versuchsanlage

Adsorptionsstufe Filtration

Kontaktreaktor 1.500 L Durchmesser 50 cm

Sedimentationsbecken 3 x 2.000 L = 6.000 L Höhe gesamt ca. 5 m

Zufluss 800 - 2.400 L/h Überstau ca. 2 m

Rücklaufkohle 3 x 300 L = 900 L/h Hydroanthrazit h = 75 cm 1,4 - 2,5 mm

Quarzsand h = 75 cm 0,71 - 1,25 mm

Zwischenbehälter 600 L

Spülwasserspeicher 3.000 L

2.1.1 Adsorptionsstufe

Die Adsorptionsstufe besteht aus einem als dreistufige Kaskade ausgebildeten Kontakt-reaktor und, aus volumentechnischen Gründen, drei parallel betriebenen Sedimentations-becken. Um eine gleichmäßige Verteilung des aus dem Kontaktreaktor abfließenden Volumenstroms zu gewährleisten, ist zwischen dem Kontaktreaktor und der Sedimentation ein Verteilbauwerk angeordnet. Das aus den Sedimentationsbecken abfließende Abwasser wird zusammengeführt und in einem volldurchmischten Behälter als Vorlage für die Be-schickung des Filters zwischengespeichert.

Die frische Pulveraktivkohle wird dem Abwasser im Zulaufbereich des Kontaktreaktors zu-gegeben. Aus den Sedimentationsbecken wird jeweils Rücklaufkohle abgezogen und zur Mehrfachbeladung in die erste Kaskade des Kontaktreaktors zurückgeführt. Die Entnahme der Überschusskohle aus der Adsorptionsstufe erfolgt aus dem Verteilbauwerk.

Die Adsorptionsstufe wird mit biologisch gereinigtem Abwasser (= Ablauf Nachklärung) aus dem Klärwerk Steinhäule, Neu-Ulm, beschickt.

2.1.2 Sandfilter

Für die Untersuchungen zur weitestgehenden Feststoffabtrennung mittels Zweischicht-filtration wurde eine Filtersäule mit einem Durchmesser von 50 cm eingesetzt. Der Filterbett-aufbau setzt sich aus einer Quarzsandschicht der Körnung 0,71 bis 1,25 mm und einer darüberliegenden Anthrazitschicht der Körnung 1,4 bis 2,5 mm zusammen. Die Schichthöhe der beiden Materialien beträgt jeweils 75 cm, der Überstau des Filters misst 200 cm. Zur Er-mittlung des Filterwiderstandes mit zunehmender Filterlaufzeit sind über die Höhe des gesamten Filterbetts sechs Druckmessdosen angebracht. Die Filtersäule wird durch eine Kreiselpumpe mit dem adsorptiv gereinigten Abwasser aus dem Zwischenbehälter beschickt. Für die Filterspülung wird filtriertes Abwasser herangezogen. Hierzu wird das nach dem Zweischichtfilter anfallende Filtrat in einem Spülwasserspeicher gesammelt. Weitere An-gaben zum Aufbau des Filters sind dem Anhang B zu entnehmen.

Methodik

9

2.1.3 Dosierstellen der Hilfsstoffe

2.1.3.1 Adsorptionsstufe

Bei der Zugabe der Hilfsstoffe (Fällmittel, Flockungshilfsmittel) im Bereich der Adsorptions-stufe wurde darauf geachtet, dass die Dosierstoffe jeweils dem gesamten, zu behandelnden Volumenstrom zugegeben werden. Hierzu wird das Abwasser bzw. der Aktivkohleschlamm jeweils durch einen kurzen Rohrabschnitt zwangsgeführt. Innerhalb der Rohrleitungen erfolgt die Zugabe der Hilfsstoffe. Zur besseren Einmischung der Hilfsstoffe ist an jeder Dosierstelle ein Rührwerk installiert. Abbildung 2-2 zeigt beispielhaft die Ausbildung der Dosierstelle des Fällmittels vor dem Kontaktreaktor.

Rücklaufkohle

zur Sedimentation

Flockungs-hilfsmittel

1 32

Pulveraktivkohle

Fällmittel (variabel)

in denKontaktreaktor

zufließendesAbwasser

InnenliegendeDosierlanze

Fällmittelzugabe

Rührwerk

Abbildung 2-2: Anordnung der Dosierstellen im Bereich des Kontaktreaktors sowie Ausbildung der Fällmitteldosierstelle vor dem Kontaktreaktor

Die Pulveraktivkohle wurde während des gesamten Untersuchungszeitraums in den Zulauf-bereich des Kontaktreaktors in Form einer Suspension zugegeben.

Für die Untersuchungen zur Optimierung der Feststoffabtrennung innerhalb der Adsorptions-stufe wurde das Flockungshilfsmittel immer im Ablauf des dritten Beckens des Kontakt-reaktors zudosiert. Die Fällmittelzugabestelle im Bereich des Kontaktreaktors wurde hin-gegen variiert. Als mögliche Dosierstellen für die Zugabe des Fällmittels wurden ausgewählt (vgl. Abbildung 2-2):

vor dem Kontaktreaktor (1)

Übergang vom ersten in das zweite Becken des Kontaktreaktors (2)

im Einlaufbereich des Verteilbauwerks (3)

Die dritte Fällmitteldosierstelle unterscheidet sich von den anderen beiden Zugabestellen dahin gehend, dass die Fällmitteldosierung erst nach der Flockungshilfsmittelzugabe erfolgt.

Methodik 10

2.1.3.2 Filtration

Um vor dem Sandfilter eine möglichst vollständige Einmischung des Fällmittels in den Ab-wasserstrom zu gewährleisten, wurde das Fällmittel unmittelbar vor der Beschickungspumpe des Filters über eine innenliegende Lanze direkt in die Leitungsmitte zudosiert (vgl. Abbildung 2-3).

Fällmittel

zum Filter

von Sedi.-becken

InnenliegendeDosierlanze

Abbildung 2-3: Fällmitteldosier- und einmischstelle vor dem Filter

2.2 Eingesetzte Hilfsstoffe und Pulveraktivkohlen

In allen Untersuchungen wurde zum Aufbau von abtrennbaren Flocken das Eisenprodukt „Trifloc S“ der Firma BK Giulini GmbH als Fällmittel verwendet. Bei dem Produkt handelt es sich um eine Eisen-III-chloridlösung. Als Flockungshilfsmittel (Polymere) wurde das anionische Produkt „PRAESTOL 2440“ der Firma Ashland eingesetzt. Weitere Angaben zu den beiden Produkten sind in Anlage A aufgeführt.

Tabelle 2-2: eingesetzte Pulveraktivkohlen Kohle Rohstoff bisheriges TOCRohwasser bisherige Quellen-

x10 x50 x90 Einsatzgebiet Einsatzdauer angabe

[µm] [µm] [µm] [mg/L] [m³/kg]

frische Pulveraktivkohle

SAE Super k.A. k.A. 15,0 k.A. - - - Datenblatt

aufgemahlene Kornkohlen

F 300 Steinkohle 3,9 13,4 42,8 Grundwasser 0,9 70 TZW

Hydraffin XC 30 Steinkohle 7,4 23,9 47,4 Karstwasser 0,8 180 TZW

CC 8x30 Kokossnussschale 9,1 24,7 59,4 Grundw. / Uferfiltrat 0,4 k.A. TZW

Mahlfeinheit

Tabelle 2-2 gibt einen Überblick über die in den Untersuchungen eingesetzten Aktivkohlen. Im Rahmen der Untersuchungen zur Optimierung der Feststoffabtrennung als auch der Untersuchung zur Eignung von Eisenprodukten zur Ausbildung von sedimentierbaren und abtrennbaren Flocken wurde das Produkt „SAE Super“ der Firma Norit eingesetzt.

Für die Untersuchung zur Eignung von bereits in der Wasseraufbereitung eingesetzten Kornkohlen zur Entfernung von Spurenstoffen aus dem Abwasser wurden drei Kohlesorten im Durchlaufbetrieb getestet. Die Kohlen unterscheiden sich zum einen im Rohstoff, zum anderen in der Mahlfeinheit als auch in deren Einsatzdauer sowie dem bisherigen Einsatz-gebiet und den daraus resultierenden Randbedingungen. Die Auswahl der eingesetzten, auf-gemahlenen Kornkohlen wurde vom TZW getroffen.

Methodik

11

2.3 Beurteilungsmaßstab

Für die Beurteilung der Feststoffabtrennung werden sowohl Stichproben als auch mengen-proportional gezogene 24-h-Mischproben herangezogen. Vor der eigentlichen Bestimmung der abfiltrierbaren Stoffe sowie der Trübung bzw. des „Schwarzgrades“ (vgl. Abschnitt 2.4) werden die Proben homogenisiert.

Den Untersuchungen zur hygienischen Beschaffenheit des Abwassers liegen ausschließlich Stichproben zugrunde.

Die Beurteilung der Reinigungsleistung im Hinblick auf die gelöste organische Restver-schmutzung (DOC, Spurenstoffe) sowie die Phosphorelimination wird anhand von mengen-proportional gezogenen 24-h-Mischproben festgemacht. Hierzu werden die Proben vor der Untersuchung membranfiltriert (Ø 0,45 µm). Die Analytik erfolgt ausschließlich vom Filtrat. Die Entnahme in den einzelnen Reinigungsstufen wird wie folgt berechnet:

Entnahme Adsorptionsstufe = NKB – SB

Entnahme Filtration = SB - F

2.4 Beurteilung der Feststoffabtrennung

2.4.1 Untersuchte Einflussfaktoren

Primäres Ziel der Feststoffabtrennung muss es sein, nach der Filtration einen nahezu PAC-freien Ablauf dauerhaft sicherstellen zu können. Dies bedingt den Einsatz von Hilfsstoffen innerhalb der Verfahrenstechniken „Adsorptionsstufe“ und „Filtration“. Allerdings ist bei einer Optimierung der Feststoffabtrennung zu berücksichtigen, dass die Zugabe der Hilfsstoffe ebenso Einfluss auf betriebliche Belange der Reinigungsstufen sowie möglicherweise Aus-wirkungen auf die Entnahme der gelösten Organik bzw. der Spurenstoffe hat.

Abbildung 2-4 zeigt die untersuchten Einflussfaktoren sowie die in die Beurteilung der Hilfs-stoffdosierung einbezogenen Kriterien innerhalb der einzelnen Reinigungsstufen auf. Darüber hinaus wird im Rahmen der Untersuchungen hinterfragt, ob die unterschiedlichen Mahlfeinheiten der eingesetzten Pulveraktivkohlen einen wesentlichen Einfluss auf die not-wendige Hilfsstoffdosierung zur Erlangung einer weitestgehenden Feststoffabtrennung haben.

Die Untersuchungen zum Einfluss der Zugabe von Fäll- und Flockungshilfsmittel auf die Spurenstoffelimination in der Adsorptionsstufe wird an der Entnahme der Röntgenkontrast-mittel festgemacht. Eigene Untersuchungen mit der PAC „Norit SAE Super“ haben gezeigt [Metzger, 2010], dass zwischen den Entnahmeraten der fiktiven Summenkonzentrationen „Arzneimittelwirkstoffe“ und den als schwerer entfernbar geltenden „nicht-ionische Röntgen-kontrastmittel“ durchaus ein Zusammenhang besteht und demnach die RKM-Entnahme als Indikatorparameter für die Spurenstoffentnahme herangezogen werden kann. Beispielsweise ist davon auszugehen, dass bei einer Entfernung der „nicht-ionischen Röntgenkontrastmittel“ um rund 40 Prozent Arzneimittelwirkstoffe zu etwa 80 Prozent und mehr aus dem Abwasser entnommen wurden.

Methodik 12

Einfluss von - Dosiermenge

- Anordnung

auf - Feststoffabtrennungnach Sedi.-becken

- Schlammeigenschaften

- Spurenstoffentfernung

Trübung, Sichtfilterpapier

Schlammindex, Absetzkurve

Röntgenkontrastmittel

- Dosiermenge

- Filtergeschwindigkeit

- partikulärer Verschmutzungnach der Adsorptionsstufe

- Feststoffabtrennungnach Filter

Trübung,Sichtfilterpapier,Partikelmessung,Hygieneuntersuchung

- Einlagerungsverhalten Druckverluste innerhalb

der Filterschichten

- Filterlaufzeit

Abbildung 2-4: Einflussfaktoren auf die Feststoffabtrennung sowie Kriterien zur Beurteilung der Fest-stoffabtrennung

2.4.2 Messmethoden zur Beurteilung und Bewertung der Feststoffabtrennung

Für die dauerhafte Überwachung der Feststoffabtrennung ist sowohl im Ablauf des Sedimentationsbeckens als auch im Ablauf des Filters jeweils eine Trübungssonde installiert. Allerdings kann nach eigenen Messungen der Rückhalt von PAC nicht an einem absoluten Trübungswert festgemacht werden. Messungen von Haist et al. [2006] zeigen, dass die gleichen Konzentrationen verschiedener PAC-Produkte unterschiedliche Trübungswerte aufweisen. Die Trübungsmessung liefert vielmehr eine Information über die qualitative Ver-änderung des Feststoffrückhaltes. Eigenen Untersuchungen zufolge entspricht beispiels-weise eine Trübungsänderung von 0,4 FNU bei der verwendeten PAC „Norit SAE Super“ einer Feststoffkonzentration von ca. 1,0 mg/L PAC [Dammann, 2008].

Des Weiteren wird der Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen (AFS) im Ablauf der Adsorptionsstufe als auch im Ablauf des Filters für die Beurteilung des Feststoffrückhalts herangezogen. Allerdings ist bei AFS-Gehalten unter 5 mg/L aufgrund der Bestimmungsmethodik der

Methodik

13

Messwert nur bedingt aussagefähig, denn nach DIN 38 409 soll die Auswaage auf dem Filterpapier mindestens 20 mg betragen. Bei einem AFS-Gehalt von 2 mg/L müssten demnach 10 L Probevolumen filtriert werden. In der Praxis ist dies in der Regel aus Gründen einer frühzeitigen Filterbelegung und -verstopfung nicht durchführbar. Daher wird für die Be-urteilung des Feststoffgehaltes des Abwassers zusätzlich der Gehalt an partikulär, organisch gebundenem Kohlenstoff (POC = TOC - DOC) herangezogen. Aufgrund spezifisch ge-gebenen Relationen zwischen POC und AFS kann auf den Feststoffgehalt des Abwassers geschlossen werden. Beispielsweise entspricht 1 mg AFS im Ablauf der Nachklärung etwa 0,35 mg POC.

Die Bewertung der weitestgehenden Feststoff- bzw. PAC-Abtrennung (AFS < 1 mg/L) wird vorrangig anhand des visuellen Vergleichs mit definiert belegten Filterpapieren durchgeführt. Für die Bestimmung des sogenannten „Schwarzgrades“ wird Abwasser über ein Membran-filterpapier filtriert. Anhand des Vergleichs des „Schwarzgrades“ des Filterpapiers mit den „definierten“ Sichtfilterpapieren kann eine Aussage über die im Abwasser vorhandene PAC-Menge getroffen werden.

Abbildung 2-5: Sichtfilterpapiere mit verschiedenen PAC-Einwaagen bzw. „Schwarzgraden“ (verwendete PAC: Norit SAE Super)

Der Vorteil dieser Methode gegenüber der klassischen Bestimmung der AFS besteht darin, dass selbst geringste PAC-Gehalte im Abwasser mit einem durchaus handhabbaren zu filtrierenden Volumen festgestellt werden können: Mit dieser Art der Konzentrations-bestimmung sind nach eigenen Messungen PAC-Gehalte ab 0,05 mg/L erkennbar.

Die Untersuchung der hygienischen Parameter dient der Bewertung der Feststoffabtrennung: Anhand der mikrobiologischen Untersuchungen soll geprüft werden, ob und inwiefern durch die weitestgehende Feststoffabtrennung eine Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit des Abwassers gegeben ist.

Methodik 14

2.5 Laboruntersuchungen

Organische Summenparameter und Phosphor

CSB: Die Bestimmung des CSB wurde mit dem Küvettentest LCK 414 der Firma Hach-Lange durchgeführt. Der Messbereich für diesen Test liegt zwischen 5 mg/L und 60 mg/L. Das Prinzip beruht hierbei auf der Reaktion von oxidierbaren Stoffen mit schwefelsaurer Kaliumdichromatlösung in Gegenwart von Silbersulfat als Katalysator.

TOC bzw. DOC: Für die Bestimmung des TOC sowie des DOC wurde ein Messgerät der Firma Shimadzu mit der Bezeichnung „TOC-V CSN“ verwendet. Das Gerät arbeitet nach der Austreibmethode. Die thermisch-katalytische Oxidation erfolgt bei einer Temperatur von 680 °C.

PO4-P bzw. Pges: Die Bestimmung des Phosphors erfolgte mit dem Küvettentest LCK 349 der Firma Hach-Lange. Das Messverfahren basiert auf dem Prinzip, dass Phosphationen in saurer Lösung mit Molybdat- und Antimonionen zu einem Antimonylphosphormolybdat-komplex reagieren, der durch Ascorbinsäure zu Phosphormolybdänblau reduziert wird.

Organische Spurenstoffmessungen

Die Untersuchungen der Abwasserproben auf Spurenstoffe sowie die Auswahl der zu unter-suchenden Spurenstoffe wurde vom TZW vorgenommen.

Bei der Auswertung der Messdaten wird für die Berechnung der prozentualen Entnahme bei Unterschreitung der Bestimmungsgrenze die halbe Konzentration der Bestimmungsgrenze verwendet.

Für den Vergleich der Reinigungsleistung der Adsorptionsstufe mit unterschiedlichen Hilfs-stoffen sowie für die Untersuchung des Einflusses der Polymerdosierung in Bezug auf die Spurenstoffentfernung in der Adsorptionsstufe werden die Konzentrationen der Arzneimittel-wirkstoffe und der nicht-ionischen Röntgenkontrastmittel einer Abwasserprobe zu jeweils einer fiktiven Summenkonzentration (SK) zusammengefasst. Die jeweilige SK wird aus der Addition von Einzelwirkstoffen gebildet. Bei der SK handelt es sich um keinen im chemischen Sinne bestimmbaren Parameter. In die SK „Arzneimittelwirkstoffe“ gehen folgende Wirkstoffe ein:

Diclofenac, Carbamazepin, Naproxen, Bezafibrat, Ketoprofen, Fenofibrinsäure

Die SK „Röntgenkontrastmittel“ wird aus der Addition folgender Wirkstoffe gebildet:

Iopamidol, Iopromid, Iohexol, Iomeprol

Hygieneuntersuchung

Die hygienischen Beschaffenheit des Abwassers wurde am TZW untersucht.

Physikalische Schlammparameter

Trockensubstanzgehalt (TS): Bestimmung mittels Faltenfilter; Abfiltrierung eines Volumens von 1000 ml Schlamm über einen getrockneten (2 Stunden bei 105°C) und ausgewogenen Faltenfilter. Anschließend Trocknen des belegten Filterpapiers bei 105°C für mindestens 12 Stunden. Angabe in g/L TS.

Methodik

15

Schlammvolumen (SV): Absetzvolumen nach 30 Minuten in einem 1000 mL Standzylinder, ausgedrückt in mL/L.

Schlammvolumenindex (ISV): ISV = SV / TS in mL/g

2.6 Online-Messtechnik

Trübungsmessung: Die Erfassung der Trübung erfolgt mit einer Streulichtmessung nach DIN EN ISO 7027 und wird in der Einheit FNU angegeben. Gerät: „Solitax highline sc“ Fa. Hach-Lange.

Partikelzählmessgerät: Für die Partikelzählung wurde ein Gerät der Firma Klotz mit der Be-zeichnung „Abakus© mobil fluid“ eingesetzt.

Die dauerhafte Überwachung des Reinigungsprozesses in Bezug auf die Entnahme der organischen Verschmutzung wurde mit TOC-Online-Messgeräten sichergestellt. Gleichzeitig wurden die ermittelten Messdaten als Kontrolle für die Daten der 24-h-Proben sowie für die Simulationsrechnung herangezogen.

TOC bzw. DOC: Für die TOC-Überwachung im Zulauf der Adsorptionsstufe wurde ein Prozess-Photometer der Firma Hach-Lange mit der Handelsbezeichnung TOCTAX® ver-wendet. Das Messverfahren des Gerätes basiert auf dem nasschemischen Aufschluss mittels Peroxidisulfat mit anschließender infrarotspektroskopischer Detektion (Austreib-methode). Im Ablauf der Sandfiltration wurde ein TOC-Messgerät mit der Bezeichnung QuickTOC® der Firma LAR verwendet. Das Gerät arbeitet nach der Austreibmethode. Die thermische Oxidation erfolgt bei einer Temperatur von 1200 °C ohne katalytische Unter-stützung.

Parallel zur TOC-Bestimmung im Ablauf der Filtration wurde eine SAK-Sonde installiert, um einerseits den qualitativen Verlauf der TOC-Ganglinie abzusichern, andererseits um Er-fahrungen zwischen dem spezifischen Verhältnis von SAK und TOC nach adsorptiver Be-handlung von Abwasser zu sammeln.

SAK: Spektraler Absorptionskoeffizient. Der SAK254 dient in der Abwassertechnik als Maß für den Gehalt an organischen Inhaltsstoffen. Die Bestimmung erfolgt bei den eingesetzten Geräten der Fa. Hach-Lange bei einer Wellenlänge von 254 nm, angegeben in 1/m. Es wurden Sonden mit der Bezeichnung „UVAS plus sc“ mit einem Messspalt von 50 mm ver-wendet.

Zur Beurteilung des Einlagerungsverhaltens der partikulären Verschmutzung innerhalb des Filterbetts wurden mehrere Drucksensoren über die Filterbetthöhe in die Wandung der Filter-säule eingeschraubt.

Druckmessung: Das Messprinzip der verwendeten Drucktransmitter basiert auf einer geringen Auslenkung der keramischen Membran des Sensors aufgrund des vorhandenen Druckes. Gerät: „cerabar“, Fa. Endress + Hausser

Einsatz von Eisen als Fällmittel 16

3 Einsatz von Eisen (Fe3+) als Fällmittel Einsatz von Eisen als Fällmittel

3.1 Laboruntersuchungen

Rührversuche im Becherglas zeigen, dass die Dosierung von Fällmittel zu biologisch ge-reinigtem Abwasser eine Verringerung des DOC zur Folge hat: Mit ansteigender Dosierung kann unabhängig vom Fällmittelprodukt (Aluminium oder Eisen) eine größere Entnahme festgestellt werden (Abbildung 3-1). Je nach Dosiermenge und -produkt kann somit eine DOC-Entnahme im Mittel von bis zu ca. 0,6 mg/L aus dem biologisch gereinigten Abwasser des Zweckverbandes Klärwerk Steinhäule erzielt werden.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

DEx1 DEx2 DEx3 DEx4

Aluminium

Eisen

DO

C-V

erri

ng

eru

ng

[mg

/L]

Fällmitteldosierung [mg/L]

0,5 mg/L Al

1,0 mg/L Fe

1,0 mg/L Al

2,0 mg/L Fe

1,5 mg/L Al

3,0 mg/L Fe

2,0 mg/L Al

4,0 mg/L Fe

Abbildung 3-1: DOC-Verringerung aufgrund Fällmitteldosierung

Die Untersuchungen zeigen darüber hinaus, dass bei der Zugabe der gleichen molaren Stoffmengenkonzentration von Aluminium etwas höhere DOC-Verringerungen gegeben sind als mit dem Einsatz von Eisen (Hinweis: Aluminium = 27 g/mol, Eisen = 56 g/mol). Dies ist zum einen auf die unterschiedlichen Hydrolysereaktionen der Aluminium- und Eisenionen zurückzuführen, zum andern auf die pH-Abhängigkeit der DOC-Verringerung bei der

Einsatz von Eisen als Fällmittel

17

Dosierung von Metallsalzen: Da der zur DOC-Entfernung mittels Eisen optimal vor-herrschende pH-Wert im Wasser niedriger ist als der von Aluminium (pH-Optimum (Fe) < pH-Optimum (Al) < 7), werden mit Aluminium bei typischen pH-Werten von kommunalem Abwasser (> 7) etwas höhere DOC-Entnahmen erzielt als beim Einsatz von Eisen [Jekel, 2010].

3.2 Durchlaufbetrieb

3.2.1 DOC

Abbildung 3-2 zeigt die absolute DOC-Entnahme in der Adsorptionsstufe bei einer PAC-Dosiermenge von 10 mg/L in Abhängigkeit der gelösten Restorganik im Zufluss zum Kontaktreaktor. Bei den dargestellten Daten handelt es sich um drei unterschiedliche Ver-suchsabschnitte. Die Ergebnisse zum Einsatz eines auf Aluminium basierenden Fällmittels stammen aus vorangegangenen Untersuchungen und dienen als Vergleich für die Versuche mit Eisen. Zudem wurden die Untersuchungen mit dem Fällmittel Aluminium auf zwei ver-schiedenen Kläranlagen durchgeführt.

DO

C-E

ntn

ahm

e [m

g/L

]

DOC Ablauf NKB [mg/L]

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0

Fällmittel Eisen (Kläranlage A)

Fällmittel Aluminium (Kläranlage A)

Fällmittel Aluminium (Kläranlage B)

35%-Entnahme

45%-Entnahme

DO

C-E

ntn

ahm

e [m

g/L

]


0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0

Fällmittel Eisen (Kläranlage A)

Fällmittel Aluminium (Kläranlage A)

Fällmittel Aluminium (Kläranlage B)

35%-Entnahme

45%-Entnahme

Abbildung 3-2: Absolute DOC-Entnahme in der Adsorptionsstufe bei einer PAC-Dosierung von 10 mg/L

Charakteristisch für die drei Versuchsabschnitte sind die unterschiedlichen DOC-Konzentrationen im Zulauf zum Kontaktreaktor: Während bei der Verwendung von Eisen DOC-Konzentrationen von 4 mg/L bis 6,5 mg/L vorliegen, beträgt die typische Zulauf-konzentration beim Einsatz von Aluminium auf der Kläranlage A etwa 7,5 mg/L bis 9 mg/L. Bei den Untersuchungen auf der Kläranlage B hingegen schwankt die zufließende DOC-Konzentration zwischen 8 mg/L und 16 mg/L.

Auffällig ist, dass mit der gleichen PAC-Dosiermenge bei allen drei Versuchsabschnitten mit zunehmender DOC-Zuflusskonzentration absolut mehr DOC entnommen wird. Gleichzeitig


ist zu erkennen, dass unabhängig von der DOC-Eingangskonzentration in allen drei Ver-suchsabschnitten in etwa die gleiche prozentuale DOC-Entnahme gegeben ist. Gemäß den Ergebnissen der Versuchsabschnitte mit Aluminium ist davon auszugehen, dass beim Ein-satz von Eisenprodukten und DOC-Konzentrationen im Zufluss zum Kontaktreaktor größer 6,5 mg/L vergleichsweise äquivalente DOC-Entnahmen erzielt werden, als bei der Ver-wendung von Aluminium als Fällmittel. Demnach kann die nach biologischer Behandlung vorliegende Restorganik unabhängig des verwendeten Metallsalzes in der Adsorptionsstufe mit der eingesetzten PAC und einer Dosierung von 10 mg/L PAC zwischen 35 Prozent und 45 Prozent verringert werden.

3.2.2 Spurenstoffe

En

tnah

me

[%]

DOC im Zufluss zum Kontaktreaktor [mg/L]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Bez

afib

rat

Car

bam

azep

in

Dic

lofe

nac

Nap

roxe

n

Fen

ofib

rin-

säur

e

Sum

me

Arz

neim

ittel

-w

irkst

offe

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

Fällmittel Eisen

Fällmittel Aluminium

Nicht-ionische RKMArzneimittelwirkstoffe

En

tnah

me

[%]

DOC im Zufluss zum Kontaktreaktor [mg/L]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Bez

afib

rat

Car

bam

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in

Dic

lofe

nac

Nap

roxe

n

Fen

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rin-

säur

e

Sum

me

Arz

neim

ittel

-w

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Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

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Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

Fällmittel Eisen


Nicht-ionische RKMArzneimittelwirkstoffe

Abbildung 3-3: Entnahme von Spurenstoffen in der Adsorptionsstufe bei einer Dosierung von 10 mg/L PAC (Norit SAE Super) und Verwendung unterschiedlicher Metallsalze als Fällmittel

Arzneimittelwirkstoffe werden bei Verwendung eines eisenbasierenden Fällmittels in etwa gleichem Umfang aus dem Abwasser entfernt als beim Einsatz eines aluminiumhaltigem Fällmittels (Abbildung 3-3). Gemessen an der Summenkonzentration wird der Gehalt an Arzneimittelwirkstoffen im Abwasser unabhängig des Fällmittels bereits mit einer PAC-Dosierung von 10 mg/L um rund 90 Prozent verringert. Typischerweise beträgt die Entnahme je Wirkstoff bei einer PAC-Dosierung von 10 mg/L 80 Prozent und mehr. Die beiden Wirk-stoffe Bezafibrat und Fenofibrinsäure werden beim Einsatz von Aluminium scheinbar besser entfernt als beim Einsatz von Eisen. Diese Darstellung ist auf die Problematik der unter-schiedlichen Zuflussbedingungen zurückzuführen: In allen untersuchten Ablaufproben der Adsorptionsstufe lag die Konzentration der beiden Substanzen unterhalb der jeweiligen Be-stimmungsgrenze (BG). Im Falle des Einsatzes von Aluminium liegen allerdings höhere Ein-


19

gangskonzentrationen im Zulauf zur Adsorptionsstufe vor, als bei der Verwendung von Eisen. Demzufolge ist bei der Verwendung von Aluminium eine rechnerisch höhere Ent-nahme gegeben, da bei Unterschreitung der Bestimmungsgrenze immer die halbe Konzentration der BG für die Berechnung der Entnahme angesetzt wurde.

Die geringen Schwankungsbreiten der Arzneimittelwirkstoffentnahmen deuten auf eine sehr konstante Reinigungsleistung hin.

Bei den nicht-ionischen Röntgenkontrastmitteln (RKM) ist ebenfalls kein Unterschied in der Entnahmeleistung aufgrund unterschiedlicher Fällmittel gegeben. Summarisch betrachtet wird der Gehalt an nicht-ionischen RKM mit einer Dosierung von 10 mg/L PAC bei beiden Metallsalzen im Mittel um ca. 60 Prozent verringert. Auffällig ist, dass bei dem Einsatz der unterschiedlichen Fällmittel die Substanz Iopamidol jeweils eine geringere Entnahme auf-weist als die anderen drei RKM. Im Vergleich mit den Entnahmeraten der Arzneimittelwirk-stoffe liegen bei den Entnahmen der RKM größere Schwankungen vor. RKM sind aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften schlechter adsorptiv entfernbar als Arznei-mittelwirkstoffe. Zudem liegen RKM in wesentlich höheren Konzentrationen im Abwasser vor als Arzneimittelwirkstoffe.

3.2.3 Abfiltrierbare Stoffe

Bei etwa 80 Prozent aller Messungen beträgt der Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen (AFS) im Ablauf der Adsorptionsstufe unabhängig des eingesetzten Fällmittels weniger als 10 mg/L (Abbildung 3-4). In rund 20 Prozent aller Fälle wurden mit beiden Fällmitteln AFS-Gehalte zwischen 10 mg/L und 20 mg/l erzielt. Messergebnisse beim Einsatz von Eisen größer 20 mg/L sind als Ausreisser bzw. nicht repräsentative Messergebnisse zu bezeichnen, da in über 95 Prozent aller Fälle Messwerte kleiner 15 mg/L vorliegen.

Un

ters

chre

itu

ng

shäu

fig

keit

[%

]

AFS nach Sedi.-Becken [mg/L]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0


Fällmittel Eisen

Un

ters

chre

itu

ng

shäu

fig

keit

[%

]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0


Fällmittel Eisen

Abbildung 3-4: Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen im Ablauf der Adsorptionsstufe beim Einsatz von Aluminium und Eisen


Auffallend ist, dass beim Einsatz von Eisen tendenziell niedrigere AFS-Gehalte vorliegen. Diesem Sachverhalt ist anzumerken, dass die Untersuchungen zum Einsatz der beiden Fällmittel in verschiedenen Zeiträumen durchgeführt wurden und demnach unterschiedliche Randbedingungen gegeben waren. Beispielsweise betrug der DOC im Zulauf zur Ad-sorptionsstufe während der Untersuchungen mit Aluminium im Mittel knapp 8 mg/L, während beim Einsatz von Eisen im Mittel ein DOC von rund 5,5 mg/L vorlag.

3.2.4 Schlammindex

Für den Vergleich der Schlammindices werden nur Messwerte ab einem TS-Gehalt von 2,0 g/L herangezogen, da kleinere TS-Gehalte normalerweise nur während der Einfahrphase der Adsorptionsstufe vorliegen und somit den stationären Betriebszustand nicht ausreichend repräsentativ wiedergeben.

ISV

[m

L/g

]

TS-Gehalt [g/L]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0


Fällmittel Eisen

ISV

[m

L/g

]

TS-Gehalt [g/L]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0


Fällmittel Eisen

Abbildung 3-5: Schlammindex des Kohleschlamms der Adsorptionsstufe beim Einsatz von Aluminium und Eisen

Aus Abbildung 3-5 geht hervor, dass mit dem Einsatz von Eisen tendenziell niedrigere ISV-Werte erzielt werden als bei der Verwendung eines aluminiumhaltigen Produktes. Allerdings gilt hier ebenso wie bei den AFS anzumerken, dass die Versuche zu unterschiedlichen Zeit-räumen durchgeführt wurden und demnach andere Randbedingungen vorlagen. Erfahrungsgemäß wird der ISV von der Fällmittelzugabemenge geprägt [Metzger, 2010]. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass der Kohleschlamm in der Adsorptionsstufe aus den Komponenten Pulveraktivkohle, der entnommenen Restorganik, den aus der Nachklärung abtreibenden AFS sowie den aus dem Fällmittel entstehenden Flocken samt des an-gelagerten Polymers besteht. Demnach ist ein Einfluss der AFS aus der Nachklärung auf den ISV des Kohleschlamms nicht auszuschließen.

Beim Einsatz von Eisen als Fällmittel werden ISV-Werte zwischen 40 mL/g und 60 mL/g er-zielt, während bei der Verwendung von Aluminium ISV-Werte zwischen 60 mL/g und 100 mL/g vorliegen. Tendenziell ist unabhängig des Fällmittels bei höheren TS-Gehalten ein


21

geringerer ISV festzustellen, wobei dieser Trend aufgrund der größeren Bandbreite der ISV-Werte beim Aluminium ausgeprägter ist als beim Einsatz von Eisen.

3.2.5 Phosphor

Die Gegenüberstellung der gelösten Zu- und Ablaufwerte der Adsorptionsstufe von P-gesamt in Abbildung 3-6 zeigt, dass nach der Adsorptionsstufe die Werte für P-gesamt, unabhängig des Zuflusswertes, unter den Schwellenwert für Phosphor von 0,1 mg/L absinken. In den allermeisten Fällen wurde die Bestimmungsgrenze des verwendeten Küvettentests von 0,05 mg/L unterschritten, so dass die angegebenen P-Werte unterhalb der Bestimmungs-grenze nicht mehr als Absolutwerte zu betrachten sind, sondern vielmehr nur noch eine Tendenz widerspiegeln: Demnach ist nach der Adsorptionsstufe nahezu kein Phosphor mehr in der gelösten Phase des Abwassers enthalten.

Pg

esA

bla

uf

Sed

i.-B

ecke

n[m

g/L

]

Pges Ablauf NKB [mg/L]

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45

Schwellenwert

Bestimmungsgrenze Küvettentest

Pg

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0,05

0,10

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0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45

Schwellenwert


Abbildung 3-6: Pges, gelöst im Ablauf des Sedimentationsbeckens in Abhängigkeit des gelösten Pges-Wertes im Zulauf zur Adsorptionsstufe

Es ist anzumerken, dass im Zulauf zur Adsorptionsstufe bereits Pges-Werte kleiner 0,45 mg/L vorliegen. Aus Untersuchungen mit Aluminium ist bekannt [Metzger, 2010], dass selbst bei höheren Pges-Werten bis zu 2,50 mg/L nach biologischer Reinigung der Pges-Wert nach ad-sorptiver Behandlung in den Bereich des Schwellenwertes absinkt, wobei der minimal erziel-bare Pges-Wert wiederum von dem im Abwasser noch vorhandenen Polyphosphatgehalt ab-hängig ist.

Optimierung der Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe 22

4 Optimierung der Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe

Optimierung der Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe

4.1 Variation der Fällmitteldosiermenge

Für die Untersuchungen zum Einfluss der Fällmitteldosiermenge auf die Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe wurde die Dosierung in einem Zeitraum von vier Werktagen zwischen Dosiermengen von 1 mg/L Fe bis 12 mg/L Fe variiert. Zusätzlich wurde die Fäll-mitteldosierung für ein paar Stunden abgestellt. Das Polymer wurde während dieser Ver-suchsphase konstant mit einer Dosiermenge von 0,25 mg/L zugegeben, der Zufluss zur Ad-sorptionsstufe betrug dauerhaft 1.700 L/h. Die Untersuchungen zum Einfluss der Fällmitteldosiermenge wurden hierbei mit den drei verschiedenen Dosierstellen durchgeführt, wobei Abbildung 4-1 beispielhaft den Trübungsverlauf bei Zugabe des Fällmittels vor dem Kontaktreaktor zeigt.

Trü

bu

ng

nac

h S

edi.-

Bec

ken

[FN

U]

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

Montag00:00

Dienstag00:00

Mittwoch00:00

Donnerstag00:00

Freitag00:00

Samstag00:00

Sonntag00:00

0,0

2,0

4,0

6,0

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10,0

12,0

14,0

Dosiermenge

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Dosiermenge

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L]

Abbildung 4-1: Einfluss der Fällmitteldosiermenge auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Ad-sorptionsstufe bei Zugabe des Fällmittels vor dem Kontaktreaktor


23

Hierbei wird deutlich, dass eine Änderung der Fällmitteldosiermenge eine zeitnahe Richtungsänderung der Trübungsganglinie zur Folge hat. Demnach kann die Feststoff-abtrennung signifikant durch die Fällmitteldosierung beeinflusst werden. Auswertungen haben allerdings ergeben, dass kein direkter Zusammenhang zwischen der Fällmitteldosiermenge und dem absoluten Feststoffrückhalt, gemessen als Trübung oder AFS, besteht. Vielmehr kann durch die Zugabemenge eine qualitative Änderung der Trübung hervorgerufen werden. Darüber hinaus ist anhand der starken Trübungszunahme während des Versuchszeitraums ohne Fällmittelzugabe die Notwendigkeit einer dauerhaften Fäll-mitteldosierung für die Sicherstellung des Feststoffrückhaltes erkennbar.

4.2 Variation der Fällmitteldosierstelle

Für die Untersuchung zum Einfluss der Fällmitteldosierstelle wurde die Zugabestelle inner-halb der Adsorptionsstufe in einem Zeitraum von drei Wochen variiert (Anordnung der Dosierstellen vgl. 2.1.3.1). Um die jeweiligen Trübungsverläufe miteinander vergleichen zu können, wurde exakt zum gleichen Zeitpunkt innerhalb einer Woche die Fällmitteldosiermenge analog den in Abschnitt 4.1 beschriebenen Untersuchungen für jede Dosierstelle verändert. Parallel zum Verlauf der Trübung wurden jeweils zu festgelegten Zeit-punkten Stichproben für die Erstellung von Sichtfilterpapieren gezogen. Der Vergleich der Sichtfilterpapiere ist in Anlage C dargestellt.

Trü

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Sonntag00:00

Dos.-stelle 1: vor Kontaktreaktor

Dos.-stelle 2: Übergang 1.-2. Becken

Dos.-stelle 3: Verteilbauwerk

Trü

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Montag00:00

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Donnerstag00:00

Freitag00:00

Samstag00:00

Sonntag00:00




Abbildung 4-2: Einfluss der Fällmitteldosierstelle und -dosiermenge auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Adsorptionsstufe

Aus Abbildung 4-2 geht hervor, dass mit einer Fällmitteldosierung im Verteilbauwerk, also nach der Polymerzugabe, die geringsten Trübungswerte erzielt werden. Diese Beobachtung ist bei allen Fällmitteldosiermengen größer 0 mg/L (Dosierzeiträume vgl. Abbildung 4-1) fest-zustellen. Zugleich lässt sich diese Aussage anhand der Sichtfilterpapiere (vgl. Anlage C) bestätigen. Erfolgt keine Fällmittelzugabe, so wird nach einem vergleichsweise kurzen Zeit-raum nach Abstellung der Dosierung bei allen drei Trübungsverläufen ein ähnlicher Trübungswert erreicht. Die Wiederinbetriebnahme der Fällmitteldosierung hat zur Folge,


dass in allen drei Fällen ein sofortiger Abfall der Trübung gegeben ist. Allerdings weist die Kurve für die Versuchseinstellung „Dosierstelle 3“ den steilsten Verlauf auf.

Während bei den Dosierstellen 1 und 2 durch Erhöhung der Dosiermenge von 4 mg/L Fe auf 8 mg/L Fe bzw. 12 mg/L Fe absolut geringere Trübungswerte erzielt werden (zugehörige Zeiträume vgl. Abbildung 4-1), ist bei der Dosierstelle 3 durch Erhöhung der Fällmittelzugabe von 8 mg/L Fe auf 12 mg/L Fe kein Unterschied zwischen den erzielten Trübungswerten auszumachen. Dies ist wiederum darauf zurückzuführen, dass bei der Dosierstelle 3 mit einer Fällmitteldosiermenge von 4 mg/L Fe absolut gesehen schon geringe Trübungswerte erzielt werden. Verglichen mit den Trübungsverläufen der Dosierstellen 1 und 2 entspricht dies einem Feststoffrückhalt bei etwa der doppelten Fällmitteldosiermenge (= 8 mg/L Fe).

Demnach ist zwischen der Anordnung der Fällmitteldosierstelle und der Feststoffabtrennung ein Zusammenhang gegeben: Die Effizienz der Fällmitteldosierung in Bezug auf die Fest-stoffabtrennung nimmt mit geringer werdendem Abstand zwischen der Fällmitteldosierstelle und dem Ablauf des Reaktionsraums zu.

Die Beobachtungen zum Einfluss der Fällmitteldosierstelle werden durch weitere, in An-lage C abgebildete Versuche bestätigt.

Die Dosierstelle 3 unterscheidet sich von den anderen beiden Fällmittelzugabestellen neben der örtlichen Situation dahingehend, dass das Fällmittel nach dem Polymer zugegeben wird. Mit den Durchlaufversuchen in Abbildung 4-3 wurde geprüft, ob die Anordnung der beiden Hilfstoffdosierungen zueinander einen Einfluss auf die Feststoffabtrennung hat. Während dem Untersuchungszeitraum erfolgte eine konstante Dosierung der Hilfsstoffe. Dem gleich-bleibenden Abwasserstrom von 1.700 L/h wurde dauerhaft 4 mg/L Fe sowie 0,25 mg/L Polymer zugegeben. Im Unterschied zu den Untersuchungen in Abbildung 4-2 wies die Polymervorlage eine Konzentration von 1,0 g/L auf. Bei den Untersuchungen zum Einfluss der Fällmitteldosierstelle und –dosiermenge betrug die Vorlagekonzentration 0,3 g/L.

Abbildung 4-3 zeigt den Trübungsverlauf im Ablauf des Sedimentationsbeckens bei unter-schiedlichen Anordnungen der Hilfstoffdosierungen. Die „Dosierstelle 3“ aus Abbildung 4-2 entspricht in der Abbildung 4-3 der Anordnung B2 sowie C2. Die Anordnung C1 sowie A2 wiederum stellen die „Dosierstelle 1“ der Abbildung 4-2 dar. Im Unterschied zu C1 wird bei der Anordnung A2 das Polymer erst im Verteilbauwerk zugegeben. Die Anordnung der beiden Hilfsstoffdosierungen zueinander innerhalb des Prozesses ist aber die selbe.

Die rote Linie in den Diagrammen der Abbildung 4-3 markiert den jeweiligen Zeitpunkt der Umstellung der Hilfsstoffdosieranordnung.

Auffallend zu den bisherigen Untersuchungen sind die vergleichsweise geringen Trübungs-werte im Ablauf des Sedimentationsbeckens. Bei allen Versuchseinstellungen beträgt die Trübung weniger als 4 FNU.

Aus Abbildung 4-3 geht hervor, dass nach einer Zeitdauer von etwa 1 Stunde nach Um-stellen der Dosieranordnung von A1 auf A2 die Trübungsganglinie einen abfallenden Verlauf aufweist. Dies lässt darauf schließen, dass mit der Dosieranordnung A2 und gleicher Fäll-mitteldosiermenge eine etwas bessere Feststoffabtrennung erzielt werden kann als mit der Anordnung A1.

Bei der Untersuchungsreihe „B“ werden die beiden Hilfsstoffe zunächst gleichzeitig an der Dosierstelle innerhalb des Verteilbauwerkes zugegeben (= B1). Auffällig ist, dass am Ende der Phase der Dosieranordnung B1 ein Anstieg der Trübungsganglinie vorliegt. Die Um-


25

stellung hat eine zeitnahe signifikante Änderung der Trübungsganglinie zur Folge. Nach dem Umbau der Dosieranordnung erfolgt die Polymerzugabe kurz vor der Dosierung des Fäll-mittels. Dem Knick in der Trübungsganglinie nach zu urteilen, weist die Anordnung B2 eine effizientere Feststoffabtrennung auf als die gleichzeitige Dosierung der beiden Hilfsstoffe.

0,0

1,0

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B2

C1 C2

A1

Abbildung 4-3: Einfluss der Hilfsstoffdosieranordnung auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Ad-sorptionsstufe


Im Fall des Untersuchungszeitraums „C“ ist nach der Umstellung der Dosieranordnung von C1 auf C2 ebenfalls ein Knick in der Trübungsganglinie zu erkennen. Der abfallende Verlauf der Trübungsganglinie deutet auf eine bessere Feststoffabtrennung hin. Die Dosier-anordnungen C1 und C2 entsprechen der „Dosierstelle 1“ und „Dosierstelle 3“ in Abbildung 4-2. Der Verlauf der Trübungsganglinie im Zeitraum „C“ bestätigt die bisherigen Erkenntnisse zum Einfluss der Fällmitteldosierstelle.

Zusammenfassend erweist sich die Fällmitteldosierung nach der Polymerzugabe am Ende des Kontaktreaktors als effizienteste Anordnung der beiden Hilfsstoffe zur Feststoff-abtrennung in der Adsorptionsstufe.

4.3 Variation der Polymerdosiermenge

4.3.1 Einfluss auf die Feststoffabtrennung

Für die Untersuchungen zum Einfluss der Polymerdosierung auf die Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe wurde im Verlauf mehrerer Tage die Polymerdosiermenge stufenweise verändert. Das Fällmittel wurde in diesem Zeitraum vor dem Kontaktreaktor mit einer Dosiermenge von 4,0 mg/L Fe zugegeben. Der Abwasserzufluss zur Versuchsanlage betrug ebenfalls konstant 1.700 L/h.

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Dosiermenge

Trübung

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Dosiermenge

Trübung

Abbildung 4-4: Einfluss der Polymerdosiermenge auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Ad-sorptionsstufe

Abbildung 4-4 zeigt sowohl den Verlauf der Trübung als auch die jeweils dosierte FHM-menge. Es wird deutlich, dass eine Änderung der Polymerdosiermenge eine zeitnahe Richtungsänderung der Trübungsganglinie zur Folge hat. Demnach kann der Feststoffrück-halt signifikant durch die Zugabe von Polymeren beeinflusst werden. Jedoch besteht zwischen der dosierten Polymermenge und den absolut erreichten Trübungswerten kein direkter Zusammenhang. Die während des Versuchs vorgenommene stufenweise Erhöhung der Polymerdosiermenge zeigt aber, dass bereits mit geringen Zugabemengen der Feststoff-


27

rückhalt in der Adsorptionsstufe deutlich verbessert wird. Ab einer FHM-Dosiermenge von 0,5 mg/L kann, trotz einer weiteren Erhöhung der Polymerzugabe, der Feststoffrückhalt, ge-messen an der Trübung, nicht signifikant weiter gesteigert werden. Der Vergleich von Sicht-filterpapieren, gezogen während den einzelnen Dosierphasen (vgl. Anlage C), bestätigt diese Beobachtung. Gemessen am „Schwarzgrad“ der Sichtfilterpapiere liegen bei FHM-Dosiermengen größer 0,5 mg/L im Ablauf des Sedimentationsbeckens der Versuchsanlage dauerhaft AFS-Gehalte weit unter 2 mg/L vor.

4.3.2 Einfluss auf das Absetzverhalten sowie den Schlammvolumenindex

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Zeit [min]

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Abbildung 4-5: Absetzverhalten des Kohleschlamms bei unterschiedlichen Polymerdosiermengen

Aus Abbildung 4-5 geht hervor, dass das Absetzverhalten des Kohleschlamms durch die Zu-gabe von Polymeren verbessert werden kann: Bei den Kohleschlämmen mit einer Polymer-zugabe ist bereits nach einer Absetzzeit von 5 Minuten der Beginn der Eindickphase erreicht, wohingegen beim Kohleschlamm ohne FHM-Dosierung erst nach einer Absetzzeit von 10 bis 15 Minuten ein Eindicken zu beobachten ist. Allerdings kann aufgrund von unterschiedlichen Polymerzugaben bis 1,5 mg/L keine Verbesserung des Absetzverhaltens erzielt werden. Die Zugabe von Polymeren hat zudem keine Verbesserung des Schlammindexes, gemessen an einer Absetzzeit von 30 Minuten, zur Folge.


4.4 Einfluss der Optimierung der Feststoffabtrennung auf die Spurenstoffentfernung

4.4.1 Hinweis zu den Untersuchungen

Die absoluten Konzentrationen der vier nicht-ionischen Röntgenkontrastmitteln der Ab-wasserproben vom Zulauf der Adsorptionsstufe sind den Tabellen und Abbildungen in An-lage C zu entnehmen. Aus diesen Abbildungen geht hervor, dass die Zusammensetzung als auch die absolut aufgetretenen Konzentrationen der fiktiven Summenkonzentration sowie die absolute Konzentration des Wirkstoffs Iopamidol keinen Einfluss auf die prozentuale Ent-nahme der Summenkonzentration haben.

Die nachfolgenden Beobachtungen zum Einfluss der Fäll- und Flockungshilfsmitteldosierung auf die Spurenstoffentfernung werden durch vergleichbare Untersuchungen mit auf-gemahlenen Kornkohlen bestätigt (vgl. Anlage C2-2).

4.4.2 Einfluss Fällmitteldosiermenge

Zeit [min]

En

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[%]

0

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Nicht-ionische RKMIonische RKM Nicht-ionische RKMNicht-ionische RKMIonische RKMIonische RKM

Abbildung 4-6: Einfluss der Fällmitteldosiermenge auf die Entnahme von Spurenstoffen am Beispiel der Röntgenkontrastmittel (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Polymerdosiermenge = 0,25 mg/L; Fällmitteldosierstelle = Verteilbauwerk; n = 2)

Auffällig bei den in Abbildung 4-6 dargestellten Untersuchungen ist, dass sowohl bei keiner Fällmittelzugabe als auch bei einer relativ hohen Dosiermenge von 8 mg/L Fe bei allen nicht-ionischen RKM höhere Entnahmeraten vorliegen als bei Dosiermengen von 2 mg/L Fe und 4 mg/L Fe. Das gleiche Phänomen ist bei der Entnahme der ionischen Substanz Ioxithalaminsäure festzustellen. Die beiden anderen ionischen RKM werden unabhängig der Fällmitteldosierung bei einer Zugabe von 10 mg/L PAC nicht aus dem Abwasser entfernt. Die Auswertung der Summenkonzentration der nicht-ionischen RKM weist bei


29

Fällmitteldosiermengen von 2 mg/L Fe und 4 mg/L Fe eine um etwa 10 Prozentpunkte schlechtere Entnahmerate auf als bei keiner bzw. einer erhöhten Zugabe von 8 mg/L Fe. Dieses Phänomen ist ebenso bei Versuchen ohne Polymerdosierung zu beobachten (vgl. Anlage C).

Bei einer Dosiermenge von 8 mg/L Fe ist zudem eine um etwa 10 Prozentpunkte höhere DOC-Entnahme gegeben als bei den restlichen Fällmittelzugabemengen.

4.4.3 Einfluss Fällmitteldosierstelle

Aus Abbildung 4-7 geht hervor, dass die Anordnung der Fällmitteldosierstelle keinen signi-fikanten Einfluss auf die Entnahme der Röntgenkontrastmittel hat. Die Differenz der mittleren Entnahmeraten der einzelnen Substanzen beträgt weniger als 10 Prozentpunkte. Die Summenkonzentration der nicht-ionischen Substanzen wird bei beiden Dosierstellen etwa um die Hälfte reduziert. Die ionischen RKM werden unabhängig der Dosierstelle in geringerem Umfang entfernt als die nicht-ionischen RKM. Ob zwischen den nahezu durch-gängig geringeren mittleren RKM-Entnahmen und der etwas geringeren DOC-Entnahme im Fall der Dosierstelle 1 ein Zusammenhang besteht, wurde nicht weiter untersucht.

Zeit [min]

En

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Nicht-ionische RKMIonische RKM

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Nicht-ionische RKMIonische RKM Nicht-ionische RKMIonische RKM

Abbildung 4-7: Einfluss der Fällmitteldosierstelle auf die Entnahme von Spurenstoffen am Beispiel der Röntgenkontrastmittel (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Polymerdosiermenge = 0,25 mg/L; Fällmitteldosiermenge = 4 mg/L; n = 2)

4.4.4 Einfluss Polymerdosiermenge

Den in Abbildung 4-8 dargestellten Untersuchungen zufolge kann bei Polymerdosiermengen von bis zu 1,5 mg/L kein negativer Einfluss auf die Entnahme der Röntgenkontrastmittel festgestellt werden. Bei den nicht-ionischen RKM sind bis auf den Wirkstoff Iopamidol durchweg Entnahmeraten von über 60 Prozent vorhanden. Mit zunehmender Dosiermenge


ist eine geringfügige Steigerung der Entnahme zu beobachten, die sich allerdings nicht in der Entnahme der gelösten Gesamtorganik widerspiegelt. Zudem sind für Polymerdosiermengen größer 0,5 mg/L keine wesentlichen Zunahmen in den Reinigungsleistungen zu verzeichnen. Bei dem ionischen Wirkstoff Ioxithalaminsäure ist mit zunehmender Polymerdosierung ebenso eine höhere Entnahme gegeben. Allerdings ist bei dieser Substanz die Steigerung der Entnahmerate deutlich ausgeprägter.

Zeit [min]

En

tnah

me

[%]

Ionische RKM Nicht-ionische RKM

0

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90

100

Am

idot

rizoe

-sä

ure

Iota

lam

in-

säur

e

Ioxi

thal

amin

-sä

ure

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

DO

C

0,00 mg/L

0,25 mg/L

0,50 mg/L

1,00 mg/L

1,50 mg/L

Zeit [min]

En

tnah

me

[%]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Am

idot

rizoe

-sä

ure

Iota

lam

in-

säur

e

Ioxi

thal

amin

-sä

ure

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

DO

C

0,00 mg/L

0,25 mg/L

0,50 mg/L

1,00 mg/L

1,50 mg/L

Abbildung 4-8: Einfluss der Polymerdosierung auf die Entnahme von Spurenstoffen am Beispiel der Röntgenkontrastmittel (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Fällmittel-dosierstelle = Verteilbauwerk; Fällmitteldosiermenge = 4 mg/L; n = 2)

Bei einer vergleichsweise hohen Fällmitteldosiermenge von 8 mg/L Fe kann ein derartiges Verhalten nur noch bedingt festgestellt werden (vgl. Anlage C): Bei den nicht-ionischen RKM sind zwischen den Entnahmen bei einer Polymerdosierung von 0 mg/L und 0,25 mg/L praktisch keine Unterschiede vorhanden. Lediglich bei der ionischen Substanz Ioxithalaminsäure liegt eine deutliche Steigerung der Entnahmerate bei höherer Polymer-dosierung vor.

Aufgrund der Untersuchungen kann allerdings keine Aussage dahingehend gemacht werden, warum mit zunehmender Polymerdosierung eine tendenziell etwas bessere RKM-Entnahme zu beobachten ist.

Optimierung der Feststoffabtrennung in der Filteranlage

31

5 Optimierung der Feststoffabtrennung in der Filteranlage


5.1 Begriffsdefinition

Der Filtriermodus zwischen den Spülungen einer Filterkammer wird als Filterlauf bezeichnet. Die Filterfläche eines großtechnischen Filters setzt sich i.d.R. aus mehreren Filterkammern zusammen. Der Begriff „Filterlaufzeit“ bezieht sich daher immer auf die Laufzeit einer Filter-kammer. Im Falle der Untersuchungen besteht der Filter aus einer Filterkammer.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

0 5 10 15 20 25

Filterlaufzeit

Trü

bu

ng

[F

NU

]

Einarbeitungsphase Arbeitsphase Verschlechterungsphase

Abbildung 5-1: Phasen eines Filterlaufs

Abbildung 5-1 stellt die drei typischen Phasen eines Filterlaufs dar. Der Zeitraum direkt nach der Spülung wird als Einarbeitungsphase bezeichnet. Charakteristisch für diese Phase ist ein Peak in der Trübungsganglinie. Anschließend fällt die Trübung innerhalb kurzer Zeit ab und pendelt sich auf ein Trübungsniveau ein. Dies stellt den Beginn der Arbeitsphase dar. In der Arbeitsphase weist das Filtrat eine konstant gute Ablaufqualität hinsichtlich der Trübung auf. Das Ende der Arbeitsphase wird durch den Beginn der Verschlechterungsphase markiert. Hierbei steigt die Trübung signifikant an. Im Falle der Abtrennung von Aktivkohle durch den

Optimierung der Feststoffabtrennung in der Filteranlage 32

Filter ist das Ansteigen der Trübung in der Verschlechterungsphase auf einen un-zureichenden Rückhalt der Aktivkohle im Filterbett zurückzuführen. Eigenen Untersuchungen zufolge, besteht allerdings kein Zusammenhang zwischen dem Beginn der Ver-schlechterungsphase und einer unzureichenden Druckreserve für den Betrieb des Filters [Rößler, 2007; Metzger et al., 2009].

Die Rückspülung des Filters ist bei Auftreten eines der nachfolgend genannten Ereignisse einzuleiten:

Eintritt der Verschlechterungsphase

Unzureichende Druckreserve, gekennzeichnet durch eine 100 prozentige Öffnung der Klappe zur Regelung der Überstauhöhe und gleichzeitigem Anstieg des Niveaus der Wassersäule über dem Filterbett

Ablauf einer vorgegebenen Filterlaufzeit

Im Falle des Abbruchkriteriums „Verschlechterungsphase“ wird durch die Rückspülung des Filters eine gleichbleibend gute Filtratqualität gewahrt. Beim Auftreten von unzureichenden Druckreserven ist ein Filterbetrieb nicht mehr möglich. Die Vorgabe, den Filter nach Ablauf einer bestimmten Filterlaufzeit ohne das Auftreten eines der anderen beiden Kriterien zu spülen, wird gewählt, um irreversible Verblockungen und Ablagerungen innerhalb des Filter-betts zu vermeiden.

5.2 Feststoffabtrennung

5.2.1 Einfluss der Fällmittelzugabe

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00

Laufzeit [h]

Trü

bu

ng

[F

NU

]

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

Fä

llm

itte

ldo

sie

run

g [

mg

Fe

/L]

Fällmitteldosierung

Trübung

0,26 FNU

0,47 FNU

0,73 FNU 0,25 FNU

0,22 FNU

0,22 FNU

Laufzeit [h]

Fäl

lmit

teld

osi

eru

ng

vo

r d

em F

ilte

r [m

g/L

Fe]

Trü

bu

ng

Ab

lau

f F

iltra

tio

n [

FN

U]

Abbildung 5-2: Einfluss der Fällmitteldosierung auf den Feststoffrückhalt im Filter (vF = 8 m/h; filtriertes Probevolumen pro Sichtfilter = 500 mL)


33

In vorangegangenen Untersuchungen wurde Aluminium zur Flockenbildung vor dem Filter eingesetzt. Die Versuche haben gezeigt, dass mit einer Dosierung von 0,5 mg/L Al vor dem Filter ein ausreichender Feststoffrückhalt durch den Filter sichergestellt werden kann [Rößler, 2007]. Daher wurde in den nachfolgenden Untersuchungen in etwa die gleiche Molmenge als „Grunddosierung“ vor dem Filter zugegeben. Dies entspricht einer Zugabe-menge von 1 mg/L Fe.

Abbildung 5-2 verdeutlicht den Einfluss der Fällmittelzugabe vor dem Sandfilter zur Sicher-stellung einer weitestgehenden Feststoffabtrennung. Durch die Dosierung von Fällmittel vor dem Filter können niedrigere Trübungswerte erzielt werden als ohne Zugabe. Allerdings muss zur Sicherstellung eines weitestgehenden Feststoffrückhalts kontinuierlich dosiert werden, da unmittelbar nach Beendigung der Fällmitteldosierung die Trübung sofort ansteigt. Um einen sicheren Feststoffrückhalt gewährleisten zu können, erscheint eine Zugabe von 1,0 mg/L Fe als ausreichend. Mit einer höheren Dosiermenge werden absolut gesehen keine besseren Trübungswerte erzielt als mit einer Dosierung von 1,0 mg/L Fe.

5.2.2 Einfluss der Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

29.0

6.09

30.0

6.09

01.0

7.09

02.0

7.09

03.0

7.09

04.0

7.09

05.0

7.09

06.0

7.09

07.0

7.09

08.0

7.09

09.0

7.09

10.0

7.09

11.0

7.09

12.0

7.09

13.0

7.09

14.0

7.09

15.0

7.09

16.0

7.09

17.0

7.09

18.0

7.09

19.0

7.09

20.0

7.09

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80Ablauf Sedi.-becken

Ablauf Filter

Ablauf Filter, Trübung durch Spülung beeinflusst

Trü

bu

ng

Ab

lau

fS

ed

i.-b

ecke

n[F

NU

]

Trü

bu

ng

Ab

lau

fF

ilte

r[F

NU

]

Dos.-stelle 1: vor KontaktreaktorDos.-stelle 2: Übergang 1.-2. Becken


Abbildung 5-3: Einfluss der Feststoffablaufqualität der Adsorptionsstufe auf die Trübung nach dem Filter

In Abbildung 5-3 sind die Ganglinien der Trübungswerte für die Messstellen vor und nach dem Filter dargestellt. Die abgebildeten Verläufe spiegeln die Situation der Feststoff-abtrennung bzw. des -rückhalts während des Zeitraums der Untersuchungen zum Einfluss der Fällmitteldosiermenge und -dosierstelle in der Adsorptionsstufe wider (vgl. Kap. 4.1 4.2). Die beiden Trübungsverläufe sind auf unterschiedlichen y-Achsen aufgetragen. Die Trübungsganglinie vom Ablauf des Filters ist in einem 20-fach kleineren Maßstab abgebildet, als die Ganglinie von der Messstelle „Ablauf Sedimentationsbecken“. Die Trübungspeaks im Ablauf des Filters, die aufgrund der Rückspülungen des Filters auftreten, sind in der nach-


folgenden Betrachtung nicht von Relevanz. Sie sind daher in einer anderen Farbe dargestellt als die Trübungswerte während den Arbeitsphasen der Filterlaufzeiten.

Während der Untersuchung wurde der Filter mit einer konstanten Filtergeschwindigkeit von 8 m/h (bis 15.07.2009) bzw. 6 m/h (ab 15.07.2009) betrieben. Gleichzeitig wurde dauerhaft 1 mg/L Fe vor dem Filter zudosiert.

In Abbildung 5-3 fällt auf, dass der Trübungsverlauf im Ablauf der Adsorptionsstufe (= Ablauf Sedi.-becken) wesentlich größere Schwankungen aufweist als die Trübungsganglinie der Messstelle nach dem Filter. Diesem Sachverhalt ist allerdings anzumerken, dass die markanten Schwankungen im Ablauf des Sedimentationsbeckens auf die Veränderungen der Fällmitteldosiermenge im Bereich der Adsorptionsstufe zurückzuführen sind. So sind über den Zeitraum von drei Wochen im Ablauf der Adsorptionsstufe Trübungswerte zwischen knapp unter 2 FNU bis hin zu etwa 13 FNU vorhanden. Im gleichen Zeitraum werden im Ab-lauf des Filters Trübungswerte zwischen 0,15 FNU und 0,3 FNU gemessen.

Vergleicht man den Verlauf der beiden Trübungsganglinien, so zeigt sich, dass der Verlauf der Trübungsganglinie vom Ablauf des Filters dem Verlauf der Trübungswerte im Ablauf des Sedimentationsbeckens ähnelt, allerdings auf einem anderen „Niveau“. So sind beispiels-weise zu den Zeiträumen der höchsten Peaks im Ablauf des Sedimentationsbeckens (> 12 FNU) ebenfalls Veränderungen im Verlauf der Trübung im Ablauf des Filters vor-handen. Allerdings sind diese „Peaks“ wesentlich kleiner als die in der Trübungsganglinie im Ablauf der Adsorptionsstufe. In den hier gezeigten Fällen weist die Trübungsganglinie im Ab-lauf der Filtration bei einem „Peak“ etwa eine Veränderung von 0,05 FNU auf.

Der nahezu gleichförmige Verlauf der Trübungsganglinie im Ablauf der Filtration bei gleich-zeitig veränderlichem Trübungsverlauf im Ablauf der Adsorptionsstufe macht deutlich, dass die Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe keinen signifikanten Einfluss auf Rückhalte-vermögen der Filtration hat.

5.2.3 Einfluss der Filtergeschwindigkeit

Filtergeschwindigkeit

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

min

imal

e T

rüb

un

g [

FN

U]

n=6

n=16n=9

n=1

n=1


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

min

imal

e T

rüb

un

g [

FN

U]

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

min

imal

e T

rüb

un

g [

FN

U]

n=6

n=16n=9

n=1

n=1

Abbildung 5-4: Minimal erzielte Trübung in Abhängigkeit der Filtergeschwindigkeit

Aus Abbildung 5-4 geht hervor, dass die Filtergeschwindigkeit keinen Einfluss auf die Fest-stoffqualität im Ablauf des Filters hat. Unabhängig von der Filtergeschwindigkeit werden in der Arbeitsphase im Mittel minimale Trübungswerte zwischen 0,15 FNU und 0,20 FNU er-


35

zielt. Erfahrungsgemäß beträgt der Abstand zwischen dem minimalen und maximalen Trübungswert einer Arbeitsphase nicht mehr als 0,10 FNU. Diese dauerhaft niedrigen Trübungswerte deuten auf einen konstant guten Feststoffrückhalt durch den Filter hin.

5.3 Einfluss auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers

5.3.1 Untersuchte Parameter

Im Rahmen der mikrobiologischen Analyse wurde das Abwasser auf folgende Parameter untersucht:

Escherichia coli (1)

Coliforme Bakterien (2)

Enterokokken (3)

Clostridium perfringens (4)

Koloniezahl bei unterschiedlichen Temperaturen und Wachstumsdauer (5)

Pseudomonas aeruginosa (6)

Die Parameter 1, 3 und 4 sind Bakterien fäkalen Ursprungs. Sie werden deshalb in der Wasseranalytik auch als Fäkalindikatoren herangezogen. Coliforme Bakterien hingegen können fäkalen Ursprungs sein [Hütter, 1992]. Alle vier Bakterienarten sind Anaerobier. Demnach weist ein Rückgang dieser Parameter auf eine Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit des Abwassers hin, da sich diese Bakterien aufgrund der im kommunalen Abwasser vorherrschenden Temperaturen nicht vermehren können.

Die Koloniezahl sagt aus, wieviel koloniebildende Einheiten pro Volumeneinheit im unter-suchten Wasser vorhanden sind. Dieser Parameter wird bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Je nach Untersuchungstemperatur sind die Parameter 1 bis 4 in der Koloniezahl enthalten.

Die Bakteriengattung Pseudomonas aeruginosa ist nicht fäkalen Ursprungs. Im Unterschied zu den Parametern 1 bis 4 kann sich dieses Bakterium unter aeroben Bedingungen, bei ge-nügendem Nährstoffangebot, bereits ab Temperaturen von 9°C vermehren [Hambsch, 2010]. Daher lässt sich eine Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit des Abwasser nur be-dingt an diesem Parameter festmachen. Vielmehr lässt dieser Parameter auf eine „Wieder-verkeimung“ des Abwassers schließen.

5.3.2 Bezugsmaßstab

Die untersuchte Verfahrenstechnik gliedert sich in zwei einzelne Reinigungsstufen. Der Ad-sorptionsstufe ist zur weitestgehenden Feststoffabtrennung nach derzeitigem Unter-suchungsstand immer eine Filtration nachzuschalten. Demnach stellt die Ablaufqualität der Adsorptionsstufe die Bezugsgröße für die Beurteilung der Reinigungsleistung der Filtration dar. Im Gesamten betrachtet ist die Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit durch die weitergehende Abwasserreinigung an der heutigen Ablaufqualität einer Kläranlage zu messen. Beim Klärwerk Steinhäule, Neu-Ulm (Standort der Versuchsanlage), wird das Ab-wasser, wie bei den allermeisten Kläranlagen auch, direkt nach der biologischen Reinigung


in das Gewässer eingeleitet, so dass als Bezugsgröße für die „Gesamtverbesserung“ der weitergehenden Reinigung der Ablauf der Nachklärung heranzuziehen ist.

Die für die Hygieneuntersuchung verwendeten Abwasserproben der Nachklärung weisen AFS-Gehalte von 2 mg/L bis 4 mg/L auf. Der Feststoffgehalt der Proben vom Ablauf des Sedimentationsbeckens beträgt 1 mg/L bis 6 mg/L.

1

10

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

Escherichia coli

[ in 100 mL]

ColiformeBakterien

[ in 100 mL]

Enterokokken

[ in 100 mL]

Clostridiumperfringens[in 100 mL]

Koloniezahl,36°C nach 48 h

[in 1 mL]

Koloniezahl,22°C nach 48 h

[ in 1 mL]

Koloniezahl,22°C nach 7 d

[ in 1 mL]

Pseudomonasaeruginosa[ in 100 mL]

Ablauf Nachklärbecken, n = 6

Ablauf Sedimentationsbecken, n = 5

Mikrobiologische Parameter

An

zah

l

Abbildung 5-5: Hygienische Beschaffenheit im Ablauf der biologischen Reinigungsstufe als auch im Ablauf der Adsorptionsstufe (Medianwerte)

Die Spannweitelinien in Abbildung 5-5 kennzeichnen den Bereich zwischen der minimal und maximal gemessenen Anzahl an Bakterien je Parameter. Aus dem Vergleich der beiden Probenahmestellen geht hervor, dass die beiden Parameter „Enterokokken“ und „Clostridium perfringens“ durch die Adsorptionsstufe im Mittel um eine „log-Stufe“ verringert werden. Die Mittelwerte der Parameter von „Escherichia coli“ und Coliforme Bakterien“ deuten zwar auf eine Abnahme hin, dieser Unterschied ist allerdings noch nicht als signifikant zu bewerten. Bei den Koloniezahlen sowie dem Bakterium „Pseudomonas aeruginosa“ ist keine Ver-besserung durch die Adsorptionsstufe gegeben.

5.3.3 Einfluss der Filtergeschwindigkeit

Für jede Filtergeschwindigkeit von 4 m/h bis 12 m/h wurde jeweils ein Filterlauf hinsichtlich der hygienischen Beschaffenheit des Abwasser untersucht. Hierfür wurden im Ablauf der Filtration jeweils zwei Proben gezogen. Die erste Probenahme erfolgte in den ersten Stunden der Arbeitsphase, die zweite Probe wurde i.d.R. nach einer Filterlaufzeit von mehr als 14 Stunden gezogen. Der genaue Zeitpunkt der jeweiligen Probenahme ist in der An-lage D aufgeführt.

Die in Abbildung 5-6 gezeigten Balken für verschiedene Filtergeschwindigkeiten geben den jeweiligen Mittelwert der zwei Bestimmungen wider, die Enden der Spannweitelinien repräsentieren die jeweiligen Einzelergebnisse. Das höhere Messergebnis der beiden


37

Proben ist nicht immer der Probenahme nach einer längerer Laufzeit des Filters zuzuordnen. Die Messergebnisse der Probenahmestellen „Ablauf Nachklärung“ und „Ablauf Sedimentationsbecken“ repräsentieren die Medianwerte aller untersuchten Filterläufe (vgl. Abbildung 5-5).

1

10

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

Escherichia coli

[ in 100 mL]

Colif orme

Bakt er ien

[ in 100 mL]

Ent erokokken

[ in 100 mL]

Clost r idium

perf ringens

[ in 100 mL]

Koloniezahl, 36°C

nach 48 h

[ in 1 mL]

Koloniezahl, 22°C

nach 48 h

[ in 1 mL]

Koloniezahl, 22°C

nach 7 d

[ in 1 mL]

Pseudomonas

aeruginosa

[ in 100 mL]

An

zah

l


An

zah

l

vF = 4 m/h

vF = 6 m/hvF = 8 m/h

vF = 10 m/h

vF = 12 m/h

Ablauf Nachklärbecken, n = 6

Ablauf Sedimentationsbecken, n = 5

unterschiedliche Filtergeschwindigkeiten

An

zahl

jew

eils

< 1

Abbildung 5-6: Einfluss der Filtergeschwindigkeit auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers nach der Filtration

Die Messungen zeigen, dass die Fäkalindikatoren durch die Filtration unabhängig der Filter-geschwindigkeit um eine „log-Stufe“ verringert werden. „Clostridium perfringens“ wird zudem nahezu vollständig zurückgehalten. Bei den Koloniezahlen ist ebenso eine Verringerung von etwa einer „log-Stufe“ durch die Filtration gegeben. Der Parameter „Pseudomonas aeruginosa“ weist keine eindeutige Verbesserung auf. Eine Verschlechterung ist jedoch nicht vorhanden.

Auffällig ist, dass sich die beiden Messergebnisse bei den Filtergeschwindigkeiten bis zu 10 m/h vor allem bei den Fäkalindikatoren nicht wesentlich voneinander unterscheiden. Im Vergleich zu den Spannweitelinien der beiden Probenahmestellen „Ablauf Nachklärung“ und Ablauf Sedimentationsbecken“ deutet dies auf einen sehr gleichbleibenden Rückhalt während eines Filterlaufes hin.

Mit zunehmender Filtergeschwindigkeit ist bei den Fäkalindikatoren zudem ein tendenziell besserer Rückhalt zu beobachten. In der Trinkwasseraufbereitung wird empfohlen, einen Filter mit Geschwindigkeiten von 8 m/h bis 15 m/h zu betreiben, um einer Vermehrung der Bakterien vorzubeugen [Hambsch, 2010].

5.3.4 Einfluss des spezifischen Durchsatzes

Anhand der Darstellung der Messergebnisse in Abbildung 5-7 soll der Einfluss des spezi-fischen Durchsatzes auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers geprüft werden.


Hierzu sind die Messergebnisse der Probenahmestelle „Ablauf Filter“ von jedem Parameter in einem separatem Diagramm abgebildet.

Escherichia coli

1

10

100

1.000

10.000

100.000

0 50 100 150 200spez. Durchsatz [m³/m²]

An

zah

l [in

100

mL

]

Coliforme Bakterien

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]

Enterokokken

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]

Clostridium perfringens

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]

Koloniezahl, 36°C nach 48 Stunden

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

1 m

L]


1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

1 m

L]

Koloniezahl, 22°C nach 7 Tagen

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

1 m

L]

Pseudomonas aeruginosa

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]

Anzahl jeweils < 1

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

Abbildung 5-7: Einfluss des spezifischen Filterdurchsatzes auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers nach der Filtration


39

Ein höherer Durchsatz ist nicht automatisch mit einer längeren Laufzeit des Filters gleichzu-setzen: Beispielsweise beträgt der Durchsatz bei einer Filtergeschwindigkeit von 12 m/h und einer Stunde Laufzeit 12 m³/m². Bei einer Filtergeschwindigkeit von 4 m/h und der doppelten Laufzeit hingegen beträgt der Durchsatz „nur“ 8 m³/m².

Anhand Abbildung 5-7 wird deutlich, dass der spezifische Filterdurchsatz bis auf den Para-meter „Pseudomonas aeruginosa“ keinen signifikanten Einfluss auf die hygienische Qualität des Abwasser nach der Filtration hat. Bei diesem aerob wachsendem Bakterium ist etwa ab einem spezifischen Durchsatz von 150 m³/m² ein tendenzieller Anstieg gegeben.

5.3.5 Einfluss der Filterlaufzeit

Aus Abbildung 5-8 geht hervor, dass die Anzahl der in einer Volumeneinheit befindlichen Bakterien bei den Parametern Escherichia coli, Coliforme Bakterien sowie Enterokokken mit ansteigender Filterlaufzeit geringfügig zunimmt. Allerdings beträgt die Zunahme durchweg weniger als eine "log-Stufe". Bei den Koloniezahlen zeigt sich keine "Verschlechterung" mit zunehmender Laufzeit. Die Bakterien der Gattung „Clostridium perfringens“ werden un-abhängig von der Filterlaufzeit fast immer nahezu vollständig zurückgehalten. Lediglich beim Parameter "Pseudomonars aeruginosa" ist mit zunehmender Filterlaufzeit im Mittel eine Zu-nahme der Bakterienanzahlen im Filtrat von knapp einer "log-Stufe" auszumachen. Dieser tendenzielle Anstieg lässt auf eine "Wiederverkeimung" des Abwassers mit zunehmender Laufzeit schließen.


Escherichia coli

1

10

100

1.000

10.000

100.000

0 5 10 15 20 25

Filterlaufzeit [h]

An

zah

l [in

100

mL

]

Coliforme Bakterien

1

10

100

1.000

10.000

100.000

0 5 10 15 20 25Filterlaufzeit [h]

An

zah

l [in

100

mL

]

Enterokokken

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]

Clostridium perfringens

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]


1

10

100

1.000

10.000

100.000

0 5 10 15 20 25

Filterlaufzeit [h]

An

zah

l [in

1 m

L]


1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

1 m

L]

Koloniezahl, 22°C nach 7 Tagen

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

1 m

L]

Pseudomonas aeruginosa

1

10

100

1.000

10.000

100.000


An

zah

l [in

100

mL

]

Anzahl jeweils < 1

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

Abbildung 5-8: Einfluss der Filterlaufzeit auf die hygienische Beschaffenheit nach der Filtration


41

5.3.6 Einfluss der Fällmitteldosierung

Um den Einfluss der Fällmitteldosierung auf das Rückhaltevermögen des Filters in Bezug auf die Hygieneparameter zu bewerten, wurde im Rahmen eines Filterlaufs die Fällmittel-dosierung für mehrere Stunden abgestellt. Abbildung 5-9 zeigt sowohl den Trübungsverlauf an der Messstelle im Ablauf des Filters als auch die Messergebnisse der hygienischen Para-meter zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

0 4 8 12 16 20 24

Filterlaufzeit [h]

Trü

bu

ng

[F

NU

]

POC = 0,4 mg/L

1

10

100

1.000

10.000

100.000

Escherichia coli

[ in 100 mL]

ColiformeBakterien

[ in 100 mL]

Enterokokken

[ in 100 mL]

Clostridiumperfringens[in 100 mL]

Koloniezahl, 36°Cnach 48 h[ in 1 mL]


Koloniezahl, 22°Cnach 7 d[ in 1 mL]

Pseudomonasaeruginosa[in 100 mL]

Ablauf NachklärbeckenAblauf Filter, Erstf iltratbeschaffenheitAblauf Filter, in der ArbeitsphaseAblauf Filter, nach FM-Abschaltung


An

zah

l

POC = 0,3 mg/L POC = 0,4 mg/L

Einarbeitungsphase keine Fällmitteldosierung

< 1

0

< 1

0

Abbildung 5-9: Trübungsverlauf im Ablauf des Filters und hygienische Beschaffenheit des Ab-wassers zu unterschiedlichen Betriebszeitpunkten (filtriertes Probevolumen für Sicht-filterscheiben = 500 mL; vF = 8 m/h)

Anhand der Trübungsganglinie wird die Wirkung des Fällmittels in Bezug auf den Feststoff-rückhalt durch den Filter deutlich: Kurz nach Abschalten ist ein sofortiger Anstieg der Trübungsganglinie gegeben. Selbst zum Zeitpunkt der Wiederinbetriebnahme der Fällmittel-dosierung hat sich der Trübungsverlauf noch auf keinem konstanten Niveau eingependelt.


Kurz nach Anschalten der Fällmitteldosierung sind wiederum Trübungswerte ähnlich dem Zeitpunkt vor dem Abschalten zu verzeichnen.

Bei den mikrobiologischen Parametern zeigt sich, dass im Ablauf des Filters bei allen drei Proben bis auf die Bakteriengattung „Pseudomonas aeruginosa“ eine Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit gegenüber dem Ablauf der Nachklärung vorliegt.

Die beiden Filterablaufproben zu den Zeitpunkten der Einarbeitungs- und sowie Arbeits-phase weisen zudem kaum einen Unterschied bei den mikrobiologischen Parametern auf. Lediglich die Spezies „Clostridium perfringens“ wird in der Einarbeitungsphase des Filters noch nicht ganz so gut zurückgehalten wie in der Arbeitsphase. Im Vergleich zum Ablauf der Nachklärung beträgt die Verringerung allerdings zu diesem Zeitpunkt schon „2-log-Stufen“.

Das Abschalten der Fällmitteldosierung hat im Vergleich zur Trübung nur einen geringen Ein-fluss auf hygienische Beschaffenheit des Abwassers nach dem Filter. Lediglich der Para-meter „Escherichia coli“ weist eine signifikant höhere Anzahl auf als zum Zeitpunkt der Probenahme in der Arbeitsphase.

Anhand dieses Versuches kann allerdings nicht festgemacht werden, ob ohne eine Fäll-mitteldosierung vor dem Filter die hygienische Beschaffenheit des Abwassers durch die Filtration in gleichem Maße verbessert wird wie mit einer dauerhaften Zugabe des Fällmittels, da bis zum Zeitpunkt der Probenahme „ohne Fällmitteldosierung“ 16 Stunden lang 1 mg/L Fe dosiert wurde, was wiederum zu einer Veränderung des Filterbettporenraums aufgrund der eingelagerten Fällmittelflocken führt.

5.4 Partikelmessung

Für die Quantifizierung der Feststoffe im Filtrat wurde die Anzahl unterschiedlicher Partikel-größen während eines Filterlaufs dauerhaft bestimmt. Um einen möglichen Zusammenhang zwischen der vorhandenen Partikelanzahl und dem Trübungswert des Filtrats bewerten zu können, erfolgte neben der Partikelmessung auch eine Trübungsmessung. Darüber hinaus wurden in regelmäßigen Abständen Sichtfilterpapiere vom Filtrat erstellt, sowie Stichproben für die Beurteilung der hygienischen Beschaffenheit des Abwassers während des Filterlaufs gezogen.

Zusätzlich wurde der Einfluss der Fällmitteldosierung auf das Feststoffrückhaltevermögen des Filters überprüft, weshalb die Fällmitteldosierung nach einer Laufzeit von etwa 5 Stunden zunächst von 1 mg/L Fe auf 0,5 mg/L Fe reduziert und eine Stunde später ab-geschaltet wurde.

Abbildung 5-10 zeigt die Messdaten sowie einen Teil der Sichtfilterpapiere während des Filterlaufs ab Beginn der Arbeitsphase. Die anfänglichen Anstiege in den Kurven der unter-schiedlichen Partikelgrößen sind auf die Kalibrierphase des Messgerätes zurückzuführen.

Aus der Partikelmessung geht hervor, dass im Ablauf des Filters weitestgehend Partikel mit einem Durchmesser < 10 µm vorhanden sind. Der konstante Unterschied von etwa einer „log-Stufe“ zwischen den Ganglinien der Partikelgrößen „> 1 µm“ und „> 2 µm“ lässt darauf schließen, dass die allermeisten nach der Filtration gemessenen Partikel eine Korngröße zwischen 1 µm und 2 µm aufweisen. Anzumerken ist, dass im Filtrat auch Partikel mit einer Größe von kleiner 1 µm vorliegen können, diese vom verwendeten Messgerät allerdings nicht detektiert werden.


43

Das Abwasser im Zulauf zum Filter wies während des Untersuchungszeitraums Trübungs-werte von etwa 3 FNU auf. Im Filtrat wurden dauerhaft Trübungswerte kleiner 0,30 FNU ge-messen. Aus dem „Schwarzgrad“ der Sichtfilterscheiben ist zu schließen, dass im Ablauf des Filters nahezu keine Pulveraktivkohle mehr vorhanden ist (AFSPAC < 0,05 mg/L). Diese Be-obachtungen deuten auf einen sehr guten Feststoffrückhalt durch den Filter hin.

1

10

100

1.000

10.000

Escherichia coli

[ in 100 mL]

ColiformeBakterien

[ in 100 mL]

Enterokokken

[ in 100 mL]

Clostridiumperfringens[ in 100 mL]



Koloniezahl, 22°Cnach 7 d[ in 1 mL]

Pseudomonasaeruginosa[ in 100 mL]

Zulauf Filter

Hygiene 1

Hygiene 2

Hygiene 3

Hygiene 4


An

zah

l

0

1

10

100

1.000

10.000

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Par

tike

lan

zah

l [1/

mL

]

Trü

bu

ng

[F

NU

]

Laufzeit [Std.]

> 1 µm

> 2 µm

> 3 µm

> 4 µm

> 5 µm

> 7 µm

> 10 µm

> 11 µm

> 15 µm

> 18 µm

> 20 µm

> 25 µm

> 30 µm

> 50 µm

> 100 µm

Trübung

Hyg

ien

e 1

Hyg

ien

e 2

Hyg

ien

e 3

Hyg

ien

e 4

1,0 mg/L Fe 0,5 mg/L Fe 0,0 mg/L Fe

Fällmitteldosiermenge vor dem Filter

0,1

An

zah

l =

0H

ygie

ne

1H

ygie

ne

2H

ygie

ne

3

Abbildung 5-10: Partikelanzahl, Trübung, Sichtfilterpapiere (filtrierte Wassermenge = 1.000 mL) sowie hygienische Beschaffenheit des Filtrats während eines Filterlaufs (Filtergeschwindig-keit = 10 m/h; Hinweis: eine größere Darstellung der Grafik der Partikelmessung ist in der Anlage D abgebildet)

Bei der Partikelmessung zeigt sich ebenso wie bei den Untersuchungen zum Einfluss der Fällmitteldosierung auf die Trübung (vgl. Kap. 5.2.1), dass mit Reduzierung der


Fällmitteldosiermenge ein Anstieg der Partikelkonzentration zu verzeichnen ist. Allerdings ist bei beiden Messgrößen erst ein signifikanter Anstieg mit Abstellen der Dosierung zu be-obachten. Die Zunahme der Trübung ist primär auf einen unzureichenden Rückhalt von Partikeln mit einer Größe > 1 µm bis < 10 µm zurückzuführen. Bei Partikeln mit einem Durchmesser > 10 µm ist durch das Abstellen der Fällmitteldosierung keine Zunahme ge-geben.

Aus den Bestimmungen der mikrobiologischen Parameter geht hervor, dass das Abwasser über den Zeitraum der Untersuchungen eine nahezu gleichbleibende hygienische Be-schaffenheit aufweist. Selbst das Abschalten der Fällmitteldosierung (= Hygiene 4) hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Rückhalt der mikrobiologischen Parameter. Lediglich beim Parameter „Clostridium perfringens" wurde eine höhere Anzahl im Ablauf des Filters nachgewiesen als bei den vorangegangenen Probenahmen.

Die Fäkalindikatorparameter werden durch die Filtration um etwa eine „log-Stufe“ reduziert. Bei den Koloniezahlen lässt sich je nach Parameter ebenfalls eine eindeutige Verbesserung durch die Filtration ausmachen (signifikant bei 22°C, nach 7d). Für die Bakteriengattung „Pseudomonas aeruginosa“ wurde keine Senke durch den Filter festgestellt.

Anzumerken ist, dass die nicht ganz eindeutige Verbesserung bei den Koloniezahlen mög-licherweise auf die vergleichsweise geringen Bakterienanzahlen im Zulauf zum Filter zurück-zuführen sind (vgl. Kap. 5.3.2). Darüber hinaus wurden bei diesem Versuchslauf bei allen Parametern außer der Gattung „Pseudomonas aeruginosa“ im Ablauf des Filters jeweils geringere Bakterienanzahlen nachgewiesen als bei den expliziten Hygieneuntersuchungen zum Betrieb des Filters (vgl. Kap. 5.3).

5.5 Betriebliche Aspekte

5.5.1 Filterlaufzeit


Filt

erla

ufz

eit

[h]

0

50

100

150

200

250

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

n=1

n=2n=7

n=1


Filt

erla

ufz

eit

[h]

0

50

100

150

200

250

4 m/h 6 m/h 8 m/h 10 m/h 12 m/h

n=1

n=2n=7

n=1

Abbildung 5-11: Mittlere Filterlaufzeit in Abhängigkeit von der Filtergeschwindigkeit

Für die Auswertung der Filterlaufzeit wurden nur Versuche herangezogen, bei denen ent-weder das Abbruchkriterium „Trübungsanstieg“ oder „unzureichender Vordruck“ erreicht wurde. Bei den Versuchsläufen mit einer Filtergeschwindigkeit von 10 m/h wurde der Filter vor Erreichen eines der Kriterien zurückgespült.


45

Die Versuche zeigen, dass sich bei höheren Filtergeschwindigkeiten kürzere Standzeiten er-geben als bei geringeren Filtergeschwindigkeiten. So beträgt bei einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h die mittlere Filterlaufzeit ca. 60 Stunden, bei einem Filterbetrieb mit 12 m/h ergibt sich eine mittlere Filterlaufzeit rund 35 Stunden. Allerdings lassen sich mit den Filter-geschwindigkeiten 6 m/h und 8 m/h ähnliche Durchsätze pro Filterlauf erzielen.

5.5.2 Einlagerungsverhalten innerhalb des Filterbetts

Abbildung 5-12 zeigt beispielhaft die Drucklinienverläufe nach einer Betriebsdauer von 24 Stunden von sieben Filterläufen mit einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h. Bei allen Ver-suchsläufen ist ein ähnliches Einlagerungsverhalten im Filterbett zu beobachten: Jeweils in den obersten Schichten der beiden Filtermaterialien (ca. 20 cm Schichtdicke) tritt ein er-höhter Filterwiderstand auf.

Anhand dieser Versuche wird deutlich, dass bei gleichen Filtergeschwindigkeiten zwar ein ähnliches Einlagerungsverhalten auftritt, die absoluten Druckverluste allerdings schwanken können. Diese Schwankungen sind beispielsweise auf unterschiedliche Feststoff-konzentrationen im Zulauf zum Filter zurückzuführen. Ein anderer Grund ist in der Fällungs-reaktion vor dem Filter zu sehen, da neben dem Phosphorgehalt verschiedene, bisher nicht geklärte Mechanismen einen Einfluss auf die Ausbildung der Fällmittelflocken haben können.

Filt

erh

öh

e [c

m]

Druck [cm WS]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

hydrostatische Drucklinie

Versuch 1

Versuch 2

Versuch 3

Versuch 4

Versuch 5

Versuch 6

Versuch 7

Hydroanthrazit

Quarzsand

Filt

erh

öh

e [c

m]

Druck [cm WS]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


Versuch 1

Versuch 2

Versuch 3

Versuch 4

Versuch 5

Versuch 6

Versuch 7

Hydroanthrazit

Quarzsand

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


Versuch 1

Versuch 2

Versuch 3

Versuch 4

Versuch 5

Versuch 6

Versuch 7

Hydroanthrazit

Quarzsand

Abbildung 5-12: Micheau-Diagramm für verschiedene Versuchsläufe mit einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h nach einer Filterlaufzeit von 24 Stunden

5.5.3 Einlagerung bei unterschiedlichen Filtergeschwindigkeiten

Das Micheau-Diagramm in Abbildung 5-13 zeigt die Drucklinienverläufe für unterschiedliche Filtergeschwindigkeiten nach einer Filterlaufzeit von 24 Stunden. Die Darstellung basiert auf Mittelwerten.


Filt

erh

öh

e [c

m]

Druck [cm WS]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


4 m/h (Q=96 m³/m²), n=6

6 m/h (Q=144 m³/m²), n=16

8 m/h (Q=192 m³/m²), n=7

10 m/h (Q=240 m³/m²), n=1

12 m/h (Q=288 m³/m²), n=1

Hydroanthrazit

Quarzsand

Filt

erh

öh

e [c

m]

Druck [cm WS]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


4 m/h (Q=96 m³/m²), n=6

6 m/h (Q=144 m³/m²), n=16

8 m/h (Q=192 m³/m²), n=7

10 m/h (Q=240 m³/m²), n=1

12 m/h (Q=288 m³/m²), n=1

Hydroanthrazit

Quarzsand

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


4 m/h (Q=96 m³/m²), n=6

6 m/h (Q=144 m³/m²), n=16

8 m/h (Q=192 m³/m²), n=7

10 m/h (Q=240 m³/m²), n=1

12 m/h (Q=288 m³/m²), n=1

Hydroanthrazit

Quarzsand

Abbildung 5-13: Micheau-Diagramm für verschiedene Filtergeschwindigkeiten nach 24 Stunden Filter-laufzeit

Hieraus ist ersichtlich, dass bei allen Filtergeschwindigkeiten nach einer Laufzeit von 24 Stunden ein Einlagerungsverhalten in der obersten Schicht des Hydroanthrazits vorliegt. Zudem erfolgt ab einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h ebenso eine Einlagerung in der mittleren Schicht des Hydroanthrazits. In der oberen Quarzsandschicht ist eine Einlagerung ab einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h zu erkennen. Beim Betrieb mit einer Filter-geschwindigkeit von 12 m/h werden zudem im mittleren als auch im unteren Bereich der Quarzsandschicht Feststoffe eingelagert.

Im Unterschied zu der Darstellung in Abbildung 5-13 zeigt das Micheau-Diagramm in Abbildung 5-14 die Drucklinienverläufe für unterschiedliche Filtergeschwindigkeiten bei einem spezifischen Durchsatz von 288 m³/m². Folglich ist die Laufzeit für kleinere Filter-geschwindigkeiten bis zum Erreichen dieses Durchsatzes größer als bei höheren Filter-geschwindigkeiten. Der gewählte spezifische Durchsatz entspricht einer Laufzeit von 24 Stunden bei einer Filtergeschwindigkeit von 12 m/h. Demzufolge sind die Drucklinienver-läufe der Filtergeschwindigkeit von 12 m/h in beiden Abbildungen die gleichen.

Unter der Voraussetzung, dass bei allen Filterläufen die gleiche Feststoffkonzentration im Zulauf zum Filter vorlag, ist bei allen Versuchen aufgrund des selben spezifischen Durch-satzes die gleiche Feststofffracht im Filterbett zurückgehalten worden. Ähnlich, wie nach einer Laufzeit von 24 Stunden, werden bei einer Filtergeschwindigkeit von 4 m/h die Fest-stoffe hauptsächlich in der obersten Hydroanthrazitschicht zurückgehalten. Auffällig ist, dass bei den Filtergeschwindigkeiten von 6 m/h bis 12 m/h eine vergleichbare Einlagerung in der oberen Hydroanthrazitschicht vorliegt. Ab einer Geschwindigkeit von 10 m/h findet zusätzlich eine Einlagerung bzw. ein Rückhalt der Feststoffe im mittleren und unteren Bereich der Hydroanthrazitschicht statt. Mit zunehmender Filtergeschwindigkeit lagen sich zudem Fest-stoffe vermehrt im Bereich der oberen Quarzsandschicht ein. Der Drucklinienverlauf bei einer Filtergeschwindigkeit von 12 m/h lässt darüber hinaus auf einen Rückhalt der Feststoffe im Bereich der mittleren als auch der unteren Quarzsandschicht schließen.


47

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


4 m/h (t=72 h), n=1

6 m/h (t=48 h), n=4

8 m/h (t=36 h), n=7

10 m/h (t=28,8 h), n=1

12 m/h (t=24 h), n=1

Filt

erh

öh

e [c

m]

Druck [cm WS]

Hydroanthrazit

Quarzsand

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400


4 m/h (t=72 h), n=1

6 m/h (t=48 h), n=4

8 m/h (t=36 h), n=7

10 m/h (t=28,8 h), n=1

12 m/h (t=24 h), n=1

Filt

erh

öh

e [c

m]

Druck [cm WS]

Hydroanthrazit

Quarzsand

Abbildung 5-14: Micheau-Diagramm für verschiedene Filtergeschwindigkeiten bei einem spezifischen Durchsatz von 288 m³/m²

Diese Beobachtungen zeigen, dass mit zunehmender Filtergeschwindigkeit die Feststoffe über die gesamte Höhe des Filterbetts eingelagert werden. Gleichzeitig wird deutlich, dass mit größer werdender Filtergeschwindigkeit die absoluten Druckverluste zunehmen. Dies ist zum einen dem aus der Geschwindigkeit resultierenden Anteil des Druckverlustes zuzu-ordnen. Zudem verringert sich die Reifezeit der Flocken bei gleicher Überstauhöhe mit zu-nehmender Filtergeschwindigkeit. Möglicherweise hat dies kleinere Flocken und damit ein unterschiedliches Einlagerungsverhalten der Feststoffe zur Folge.

Aus den Abbildungen 5-13 und 5-14 geht zudem hervor, dass bei allen Filtergeschwindig-keiten aufgrund der vorhandenen Höhe des Überstaus auch ein Filterbetrieb über 24 Stunden hinaus möglich wäre, da nach einer Laufzeit von einem Tag noch genügend Druckreserven vorhanden sind. Für die Sicherstellung des dargestellten Betriebs bei einer Filtergeschwindigkeit von 12 m/h müsste die Höhe des Überstau aber mindestens 1 m be-tragen.

5.5.4 Einfluss des Einlagerungsverhaltens auf die Feststoffqualität im Filtrat

Abbildung 5-15 zeigt sowohl den Trübungs- als auch den Drucklinienverlauf zu unterschied-lichen Zeitpunkten zweier Filterläufe mit einer Filtergeschwindigkeit von 6 m/h. Bei dem in rot dargestellten Filterlauf vom 20.07.2009 war nach einer Laufzeit von rund 104 Stunden der ungenügende Vordruck der Auslöser für die Beendigung des Filterlaufs. Abbruchkriterium für den in blau dargestellten Filterlauf vom 09.11.2009 war nach einer Laufzeit von etwa 88 Stunden der signifikante Anstieg der Trübungswerte im Ablauf des Filters. Bei beiden Ver-suchen wurden ähnliche Trübungswerte im Filtrat gemessen.


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Trü

bu

ng

[F

NU

]

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0 16 32 48 64 80 96

Versuch 20.07.2009

Versuch 09.11.2009

Filterlaufzeit [h]

Druck [cm WS]

Filt

erh

öh

e [c

m]

Hydroanthrazit

Quarzsand

hydrostatische Drucklinienach 0 hnach 16 hnach 32 hnach 48 hnach 64 hnach 80 hnach 88 hnach 96 hnach 104 h

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Trü

bu

ng

[F

NU

]

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0 16 32 48 64 80 96

Versuch 20.07.2009

Versuch 09.11.2009

Filterlaufzeit [h]

Trü

bu

ng

[F

NU

]

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0 16 32 48 64 80 96

Versuch 20.07.2009

Versuch 09.11.2009

Filterlaufzeit [h]

Druck [cm WS]

Filt

erh

öh

e [c

m]

Hydroanthrazit

Quarzsand

hydrostatische Drucklinienach 0 hnach 16 hnach 32 hnach 48 hnach 64 hnach 80 hnach 88 hnach 96 hnach 104 h

Abbildung 5-15: Trübung im Ablauf des Filters und Einlagerungsverhalten im Filterbett zweier Filter-läufe mit einer Filtergeschwindigkeit von 6 m/h

In dem Versuch vom 20.07.2009 (rot) treten wesentlich höhere Druckverluste auf als bei dem blau dargestellten Versuch. Ein Unterschied ist bereits ab einer Laufzeit von etwa 16 Stunden gegeben. Zu diesem Zeitpunkt tritt im Falle des Versuchs vom 20.07.2009 an der obersten Druckmessstelle im Hydroanthrazit bereits ein höherer Druckverlust auf als bei dem anderen Versuchslauf (Anm.: Dies ist in der Abbildung nicht eindeutig zu erkennen, da die zugehörige rote Drucklinie hinter den blauen Drucklinien abgebildet ist. Der Druckverlust des rot dargestellten Versuchslauf beträgt etwa 20 cm WS, die blaue, zeitgleiche Drucklinie weist an der selben Messstelle einen Druckverlust von rund 5 cm WS auf). Bei dem Filter-betrieb vom 09.11.2009 hingegen zeigt sich bereits nach einer Laufzeit von 32 Stunden ein Einlagerungsverhalten in der oberen Quarzsandschicht, während dies bei dem rot dar-gestellten Versuchslauf erst in der Drucklinie nach einer Laufzeit von 48 Stunden zu er-kennen ist. Auffallend bei dem Versuch vom 20.07.2009 sind die vergleichsweise großen Druckverluste in der obersten Hydroanthrazitschicht. Der Druckverlauf nach einer Filterlauf-zeit von 104 Stunden im Vergleich zum Druckverlauf nach einer Laufzeit von 80 Stunden des selben Versuchs weist darauf hin, dass vor allem in den letzten 24 Stunden neben der Ein-lagerung in der obersten Hydroanthrazitschicht die Feststoffe sowohl in der mittleren Hydro-anthrazitschicht als auch in der mittleren und unteren Quarzsandschicht eingelagert wurden.


49

Die Trübungsganglinie dieses Filterlaufs verläuft tendenziell abfallend. Bei dem Filterlauf vom 09.11.2009 sind zum Zeitpunkt des Trübungsanstiegs noch genügend Druckreserven vorhanden. Zudem weist der Drucklinienverlauf zu diesem Zeitpunkt in keinem Filterbett-abschnitt auf eine ähnliche umfangreiche Einlagerung hin wie der Drucklinienverlauf des Versuchs vom 20.07.2009 nach einer Laufzeit von 104 Stunden.

Der Vergleich dieser beiden Versuche zeigt, dass eine Trübungszunahme nicht zwingend auf eine unzureichende Druckreserve zurückzuführen ist. Die blauen Drucklinienverläufe lassen weder auf eine Verlagerung der Feststoffe innerhalb des Filterbetts noch auf einen Austrag der Feststoffe aus dem Filterbett schließen. Demnach besteht kein direkter Zu-sammenhang zwischen dem Einlagerungsverhalten im Filterbett und dem Feststoffgehalt im Ablauf des Filters.

Das unterschiedliche Einlagerungsverhalten während der beiden Versuchsläufe ist mög-licherweise auf den verschiedenartigen Betrieb der Adsorptionsstufe zurückzuführen. Der Hauptunterschied besteht hierbei in der Fällmitteldosiermenge. Im Falle des Versuchs vom 20.07.2009 betrug die Dosiermenge in der Adsorptionsstufe 4,0 mg/L Fe, wohingegen bei dem blau dargestellten Versuch die doppelte Menge an Fällmittel zudosiert wurde. Eine höhere Dosiermenge hat nach bisherigen Erkenntnissen eine bessere Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe zur Folge. Demnach ist davon auszugehen, dass die durch das Filter-bett zurückzuhaltende Feststofffracht des blau dargestellten Versuchslaufs geringer war als die des rot abgebildeten Versuchslaufs. Gleichzeitig kann bei einer Fällmitteldosiermenge von 8 mg/L Fe gegenüber der halben Dosiermenge davon ausgegangen werden, dass nach der Adsorptionsstufe weniger bzw. aufgrund der gegebenen P-Verhältnisse des Abwassers kaum noch fällbares Orthophosphat vorliegt. Folglich bilden sich im Überstau des Filters auf-grund der erneuten Zugabe von Fällmittel eventuell vor dem Filter andersartige Flocken-strukturen aus, die wiederum ein anderes Einlagerungsverhalten bedingen.

Einsatz von aufgemahlenen, bereits beladenen Kornkohlen 50

6 Einsatz von aufgemahlenen, bereits beladenen Kornkohlen

Einsatz von aufgemahlenen, bereits beladenen Kornkohlen

6.1 DOC-Entnahme

6.1.1 Standversuch

Anhand der in Abbildung 6-1 gezeigten DOC-Verringungen im Standversuch wird deutlich, dass mit dem Einsatz der drei aufgemahlenen Kornkohlen beim klassischen Einrührver-fahren mit einer Kontaktzeit von 24 Stunden wesentlich weniger DOC aus dem Abwasser entfernt werden kann als mit der unbeladenen PAC „Norit SAE Super“. Selbst mit der doppelten PAC-Dosiermenge kann mit keiner der eingesetzten Kornkohlen annähernd die DOC-Entnahme erzielt werden wie mit der frischen PAC „Norit SAE Super“. Die erzielten DOC-Entnahmen der Kornkohlen im Standversuch sind als „geringfügig“ zu bewerten.

DO

C-E

ntn

ahm

e [m

g/L

]

F 300 Hydraffin CC 8x30Hydraffin XC 300,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

20 mg/L PAC

40 mg/L PAC

SAE Super

DO

C-E

ntn

ahm

e [m

g/L

]

F 300 Hydraffin CC 8x30Hydraffin XC 300,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

20 mg/L PAC

40 mg/L PAC

SAE Super

Abbildung 6-1: DOC-Entnahme im Standversuch beim Einsatz verschiedener Aktivkohlen nach einer Rührdauer von 24 Stunden, c0 = 4,5 mg/L DOC


51

Auffällig ist, dass bei einer Dosierung von 20 mg/L des Produktes „F 300“ keine DOC-Verringerung vorliegt. Erst die doppelte PAC-Dosiermenge hat eine DOC-Entnahme von 0,3 mg/L zur Folge.

In Bezug auf die Ausgangskonzentration von c0 = 4,5 mg/L DOC beträgt die Entfernungsrate der Kohle „Norit SAE Super“ bei einer Dosierung von 20 mg/L PAC etwa 30 Prozent. Die gemahlenen Kornkohlen hingegen weisen bei gleicher Dosierrate lediglich eine DOC-Verringung von bis zu knapp 10 Prozent (Hydraffin XC 30) auf. Mit der doppelten PAC-Dosiermenge stellt sich bei der Kohle „Norit SAE Super“ eine Reinigungsleistung von gut 50 Prozent ein, während bei den Kornkohlen eine Verringerung der gelösten Restorganik von nur knapp 15 Prozent vorhanden ist (Hydraffin CC 8x30).

Gemessen an der DOC-Verringerung bei einer PAC-Dosierung von 40 mg/L der Kohle „Norit SAE Super“ wird mit den aufgemahlenen Kornkohlen und der gleichen Dosierrate nur eine Reinigungsleistung von bis 25 Prozent erzielt.

Bei allen vier eingesetzten Aktivkohlen wird mit einer PAC-Dosiermenge von 40 mg/L mehr DOC aus dem Abwasser entfernt als mit dem Einsatz der halben PAC-Menge. Allerdings ist der Unterschied zwischen den jeweiligen beiden DOC-Entnahmen verschieden: So beträgt beispielsweise bei der Kohle „Norit SAE Super“ die Differenz zwischen den DOC-Verringerungen der beiden PAC-Dosiermengen 1 mg/L. Diese Differenz entspricht bezogen auf die DOC-Entnahme bei einer PAC-Dosierung von 20 mg/L einer Steigerung der Ent-nahme um etwa 70 Prozent. Bei dem Produkt „Hydraffin XC 30“ hingegen ist eine Steigerung aufgrund der höheren PAC-Dosiermenge von 200 Prozent gegeben, wobei die absolute „Mehrentnahme“ nur 0,4 mg/L DOC beträgt. Bei der Aktivkohle „Hydraffin CC 8x30“ beträgt die Differenz zwischen den DOC-Verringerungen der beiden PAC-Dosierraten nur 0,1 mg/L.

Diesem Ergebnis ist anzumerken, dass die frische Pulveraktivkohle laut Hersteller speziell für den Abwassersektor kreiert wurde. Inwiefern sich die anderen drei Kornkohlesorten eben-falls für die DOC-Entfernung aus dem Abwasser eignen ist nicht bekannt. Derartige Stand-versuche in Bezug auf die Entnahme der gelösten Restverschmutzung mit unbeladenen, aufgemahlenen Kornkohlen der eingesetzten Produkttypen im Vergleich zur PAC „Norit SAE Super“ wurden von der Hochschule Biberach nicht durchgeführt.

6.1.2 Durchlaufbetrieb

Für die Untersuchungen zur Eignung von aufgemahlenen Kornkohlen aus Wasserwerken wurden als Hilfsstoffe in der Adsorptionsstufe sowie vor dem Filter die gleichen Produkte ein-gesetzt wie beim Durchlaufbetrieb mit der PAC "SAE Super". Die Fällmitteldosiermenge be-trug 4,0 mg/L Fe, die Polymerdosierung 0,25 mg/L.

Aus Abbildung 6-2 geht hervor, dass der Einsatz von aufgemahlenen Kornkohlen ein ähnliches Entnahmeverhalten zeigt wie die Verwendung frischer Pulveraktivkohle: Mit zu-nehmender DOC-Konzentration im Zulauf zur Adsorptionsstufe ist bei gleicher PAC-Dosiermenge eine absolut höhere DOC-Entnahme gegeben. Allerdings gibt es geringe Unterschiede in der Reinigungsleistung der aufgemahlenen Kornkohlen. Mit der Kohle „F 300“ wird durchschnittlich eine DOC-Entnahme von etwa 25 Prozent erzielt. Geringfügig höhere Entnahmen weist der Einsatz der Kohlesorte „Hydraffin XC 30“ auf. Im Durchschnitt werden mit dieser Kohle Entnahmeraten von etwa 28 Prozent erreicht. Die Verwendung der Kohle „Hydraffin CC 8x30“ hat eine mittlere DOC-Entnahme von knapp 35 Prozent zur Folge.


Der Vergleich zwischen den DOC-Entnahmen der aufgemahlenen Kornkohlen und der frischen Pulveraktivkohle zeigt deutlich, dass bei gleicher Dosiermenge mit frischer Pulver-aktivkohle absolut mehr DOC entnommen werden kann. Während mit den aufgemahlenen Kornkohlen je nach Kohlesorte eine DOC-Entnahme zwischen 20 Prozent und 35 Prozent möglich ist, kann mit dem Einsatz der frischen Pulveraktivkohle im Mittel etwa 40 Prozent DOC aus dem Abwasser entfernt werden.

DO

C-E

ntn

ahm

e [m

g/L

]


Schwellenwert


0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,6

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

F 300

Hydraffin CC 8x30

Hydraffin XC 30

SAE Super

20%-Entnahme

35%-Entnahme

45%-Entnahme

DO

C-E

ntn

ahm

e [m

g/L

]


Schwellenwert


0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

2,8

3,2

3,6

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

F 300

Hydraffin CC 8x30

Hydraffin XC 30

SAE Super

20%-Entnahme

35%-Entnahme

45%-Entnahme

Abbildung 6-2: Absolute DOC-Entnahmen der drei aufgemahlenen Kornkohlen im Vergleich zur Reinigungsleistung der Frischkohle „Norit SAE Super“ in der Adsorptionsstufe bei einer PAC-Dosierung von jeweils 10 mg/L

6.2 Schlammindex

Beim Einsatz der aufgemahlenen Kornkohlen traten ISV-Werte zwischen 35 mL/g und 75 mL/g auf (vgl. Abbildung 6-2). Die ISV-Medianwerte der Kohlesorten differieren etwa um ± 10 mL/g. Dieser Unterschied ist als geringfügig zu bewerten. Darüber hinaus beträgt die Spannweite zwischen dem 25 %-Quantil und dem 75 %-Quantil bei allen drei Kohlesorten maximal 10 mL/g. Dies deutet auf sehr gleichförmige und stabil bleibenden Schlammeigen-schaften hin. Demnach hat der Rohstoff sowie die Mahlfeinheit einer Aktivkohle keinen signi-fikanten Einfluss auf das Absetzverhalten des Kohleschlamms. Die aufgetretenden Index-werte aller drei Kohlen deuten auf ein gutes bis sehr gutes Absetzverhalten der jeweiligen Kohleschlämme hin.


53

ISV

[m

L/g

]

F 300 Hydraffin CC 8x30 Hydraffin XC 30

max. ISV

75%-Quantil

Median

25%-Quantil

min. ISV

0

10

20

30

40

50

60

70

80IS

V [

mL

/g]

F 300 Hydraffin CC 8x30 Hydraffin XC 30

max. ISV

75%-Quantil

Median

25%-Quantil

min. ISV

max. ISV

75%-Quantil

Median

25%-Quantil

min. ISV

max. ISV

75%-Quantil

Median

25%-Quantil

min. ISV

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Abbildung 6-3: Schlammindices des Kohleschlamms in der Adsorptionsstufe bei Verwendung auf-gemahlener Kornkohlen

6.3 Feststoffabtrennung

6.3.1 Adsorptionsstufe

Un

ters

chre

itu

ng

shäu

fig

keit

[%

]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0

F 300

Hydraffin CC 8x30

Hydraffin XC 30

Un

ters

chre

itu

ng

shäu

fig

keit

[%

]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18,0 21,0

F 300

Hydraffin CC 8x30

Hydraffin XC 30

Abbildung 6-4: Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen im Ablauf der Adsorptionsstufe bei der Verwendung von aufgemahlenen Kornkohlen

Beim Einsatz der beiden Kohlen „Hydraffin CC 8x30“ und „Hydraffin XC 30“ treten nach Abbildung 6-4 etwas höhere AFS-Gehalte im Ablauf der Adsorptionsstufe auf als bei der


Verwendung der Kohle „F 300“. Jedoch wird bei allen Aktivkohlen in knapp 90 Prozent aller Messungen ein Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen von 10 mg/L unterschritten.

Die beiden Kohlen „F 300“ und „Hydraffin XC 30“ basieren auf dem Ausgangsprodukt „Stein-kohle“. Zudem ist anzumerken, dass das Produkt „F 300“ eine größere Mahlfeinheit aufweist als die Kohle „Hydraffin XC 30“ (vgl. Tabelle 2-2). Den Ergebnissen dieser beiden Kohlen nach ist daher davon auszugehen, dass aufgrund einer höheren Mahlfeinheit eines Ad-sorbens keine Nachteile in Bezug auf die Abtrennbarkeit resultieren.

Die Kohle „Hydraffin CC 8x30“ wurde aus Kokosnussschalen hergestellt. Darüber hinaus stellt diese Aktivkohle das Adsorbens mit der „gröbsten“ Mahlfeinheit der drei aufgemahlenen Kornkohlen dar. Demnach ist nicht auszuschließen, dass die durchschnittlich etwas höheren AFS-Gehalte bei diesen Durchlaufversuchen auf den „Rohstoff“ der Aktivkohle zurückzu-führen sind. Gleichzeitig wäre unter Einbezug der Korngrößenverteilung der anderen beiden Kohlen allerdings auch möglich, dass die Abtrennbarkeit mit abnehmender Mahlfeinheit einer Kohle geringfügig schlechter wird. Diese beiden Aussagen sind allerdings nur „spekulativ“ zu betrachten und könnten nicht durch weitere Untersuchungen belegt werden.

6.3.2 Sandfilter

Versuchstag Nr.

0,10

1,00

10,00

100,00

1 15 29 43 57 71 85 1 15 29 43 1 15 29

Trü

bu

ng

[F

NU

]

CC 8x30XC 30F 300

Ablauf Adsorptionsstufe Ablauf Filter soso

Einfahrphase Hauptphase 10 mg/L Hauptphase 20 mg/L

Abbildung 6-5: Trübung vor und nach dem Sandfilter während des Einsatzes der aufgemahlenen Kornkohlen in der Adsorptionsstufe

Für die Untersuchung des Einflusses der Mahlfeinheit auf den Partikelrückhalt im Filterbett sind in Abbildung 6-5 die Trübungsganglinien vor und nach dem Sandfilter während dem Einsatz der aufgemahlenen Kornkohlen dargestellt. Die beiden Trübungsganglinien sind in logarithmischer Skalierung aufgetragen. Die Peaks in der Trübungsganglinie nach dem Sandfilter sind auf die jeweilige Einarbeitungsphase nach der Spülung des Filters innerhalb eines Filterlaufs zurückzuführen. Bei den gezeigten Daten handelt es sich um Stunden-mittelwerte. Vor dem Filter wurde bei allen Versuchen 1 mg/L Fe zudosiert. Die Filtration wurde während der Versuchsabschnitte wahlweise mit den beiden Filtergeschwindigkeiten


55

von 4 m/h und 8 m/h betrieben. Ein signifikanter Einfluss der Filtergeschwindigkeit auf den Rückhalt besteht erfahrungsgemäß bei diesen Geschwindigkeiten nicht [Rößler, 2007].

Nach der Adsorptionsstufe beträgt die Trübung unabhängig des Aktivkohleprodukts zwischen 1 FNU und 10 FNU. Im Ablauf der Filtration treten größtenteils Trübungswerte zwischen 0,2 FNU und 0,35 FNU auf. Den Sichtfilterpapieren der 24-h-Mischproben nach zu urteilen ist in allen drei Versuchszeiträumen bei einem ordnungsgemäßen Betrieb der Filtration nahezu keine Aktivkohle mehr im Ablauf der Filtration vorhanden. Der Ausdruck „nahezu“ beschreibt hierbei Aktivkohlegehalte kleiner 0,1 mg/L AFS, wobei diese Aussage rein über einen optischen Vergleich getroffen wurde (Anm.: Auf eine Abbildung der Sicht-filterpapiere in der Anlage des Berichtes wird verzichtet, da die geringen Nuancen zwischen den Filterpapieren der einzelnen Versuchszeiträume mit optischen Medien (Scanner, Foto-apparat) nicht ausreichend präzise erfasst werden können).

Demnach beschreiben die aufgetretenen Trübungswerte einen außerordentlich hohen Rück-halt der Aktivkohlen. Gleichzeitig sind diese Werte in Bezug auf Abwasser als „sehr gut“ zu bewerten.

Die Aktivkohle „F 300“ weist die feinste Mahlfeinheit auf, das Produkt „Hydraffin CC 8x30“ stellt das „gröbste“ Adsorbens der drei Kohlen dar (vgl. Tabelle 2-2). Dem Trübungsverlauf nach zu urteilen, besteht kein signifikanter Unterschied in den absolut erreichten Trübungs-werten der einzelnen Versuchsabschnitte. Demnach existiert zwischen der Mahlfeinheit einer Aktivkohle und dem Rückhalt des Adsorbens kein unmittelbarer Zusammenhang. Diese Aus-sage ist allerdings nur für Pulverkohlen mit vergleichbaren Mahlfeinheiten gültig. Ob eine wesentlich feinere Pulveraktivkohle in gleichem Umfang zurückgehalten werden kann, bleibt offen.

Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerung 56

7 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerung

Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerung

Der Einsatz von Pulveraktivkohle (PAC) zur weitergehenden Abwasserreinigung bedingt einen nahezu vollständigen, betrieblich sicheren PAC-Rückhalt. Um das Adsorbens bei der angewandten Verfahrenstechnik abzutrennen, ist der Einsatz von Metallsalzen zur Flocken-bildung als auch die Anwendung von Polymeren notwendig. Darüber hinaus muss nach der-zeitigem Kenntnisstand der eigentlichen adsorptiven Reinigungsstufe (sog. Adsorptionsstufe) eine Flockungsfiltration nachgeschaltet werden. Hauptziel der Untersuchungen war es, die Abtrennung der PAC in der Adsorptionsstufe sowie den weitestgehenden Rückhalt des Ad-sorbens durch die Filtration zu optimieren.

Bei der Optimierung der Feststoffabtrennung ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Zu-gabe von Hilfsstoffen einen Einfluss auf betriebliche Belange der Reinigungsstufen sowie möglicherweise unerwünschte Auswirkungen auf die Entnahme der Restorganik bzw. der Spurenstoffe haben kann. Darüber hinaus gilt es zu klären, ob die Mahlfeinheit einer PAC oder beispielsweise der Rohstoff des Adsorbens in die Bewertung der PAC-Abtrennung mit einfließen muss. Bei der Optimierung der Feststoffabtrennung ist daher zu prüfen, inwiefern für die Sicherstellung eines technisch dauerhaften und ökonomischen Anlagenbetriebs sowie einer stabilen Entnahme von Spurenstoffen möglicherweise auf Seiten der Feststoff-abtrennung Kompromisse zu machen sind. Im Rahmen des Projektes wurde jedoch nicht untersucht, welche Auswirkungen der Eintrag von beladener PAC in das Gewässer haben kann.

Im Hinblick auf die Übertragung der Ergebnisse zur Feststoffabtrennung auf den technischen Maßstab ist zu beachten, dass die erzielten Messwerte nicht „absolut“ zu betrachten sind. Die Versuchsergebnisse, gerade zur Abtrennung der PAC in einem Absetzbecken, sind viel-mehr als Tendenzen zu werten, da sich die hydraulischen Verhältnisse sowie das Sedimentationsverhalten in einem horizontal durchströmten Absetzbecken niemals in einer halbtechnischen Versuchsanlage abbilden lassen. Ebenso ist zu berücksichtigen, dass die Flockenbildung aufgrund der Zugabe von Metallsalzen von einer Vielzahl von Parametern (Phosphatgehalt, pH-Wert, Feststoffgehalt, Energieeintrag an der Zugabestelle…) beein-flusst wird. Daher sind die nachfolgenden Angaben zu den Dosiermengen der Hilfsstoffe nur als Anhaltswerte für den technischen Betrieb anzusehen. Eine Anpassung der Dosier-mengen zur Sicherstellung eines weitestgehenden PAC-Rückhaltes muss letztlich vor Ort mit den eingesetzten Produkten erfolgen.


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Bei vorangegangenen Untersuchungen wurde ausschließlich Aluminiumsulfat für die Flockenbildung in der Adsorptionsstufe als auch vor dem Filter eingesetzt. Im Rahmen des BMBF-Projektes sollte geklärt werden, ob eisenhaltige Fällmittel ebenfalls für die Aufgaben-stellung eingesetzt werden können. In den Untersuchungen wurde in Anlehnung an den Be-trieb mit Aluminium in der Adsorptionsstufe 0,4 mg Fe/mg PAC dosiert. Der Versuchsbetrieb hat sich damit als betriebsstabil erwiesen.

In 80 Prozent aller Messungen betrug der AFS-Gehalt im Ablauf des Sedimentationsbeckens unter 10 mg/L. Vereinzelt sind Feststoffgehalte über 14 mg/L aufgetreten. Der Feststoffaus-trag über die Sedimentation war allerdings zu keinem Zeitpunkt so groß, dass entweder keine Anreicherung der Feststoffe in der Adsorptionsstufe erfolgte oder der Überschuss-kohleabzug zur Sicherstellung eines ausreichenden Feststoffgehaltes in der Adsorptions-stufe abgestellt werden musste.

Der Schlammindex des eisenhaltigen Kohleschlamms der Adsorptionsstufe lag, abgesehen von dem Einfahrbetrieb, meist zwischen 50 mL/g und 70 mL/g. Die Absetzeigenschaft des Kohleschlamms ist damit als „gut“ zu bewerten.

Ein Nebeneffekt des Verfahrens, sehr geringe Pges-Ablaufwerte zu erzielen, konnte mit dem Einsatz des eisenhaltigen Fällmittels nachgewiesen werden: Das Filtrat wies dauerhaft Konzentrationen unter 0,1 mg/L Pges auf, wobei in vielen Fällen die absolute Konzentration der Bestimmungsgrenze des Küvettentests von 0,05 mg/L unterschritten wurde. Im zu-gehörigen Zeitraum betrug der Pges-Wert im Ablauf der Nachklärung bis zu 0,45 mg/L.

Die Untersuchungen zur Reinigungsleistung zeigen, dass beim Einsatz eines eisenhaltigen Fällmittels unter Verwendung von 10 mg/L der PAC „SAE Super“ der Firma Norit die gelöste Restorganik in der Adsorptionsstufe im Mittel um 40 Prozent reduziert wird. Arzneimittelwirk-stoffe werden unter gleichen Bedingungen zu jeweils etwa 80 Prozent aus dem Abwasser entfernt, bei den nicht-ionischen Röntgenkontrastmitteln treten Entnahmeraten zwischen 60 und 70 Prozent auf. Eine Ausnahme bildet der Wirkstoff Iopamidol. Dieser wird nur zu etwa 40 Prozent aus dem Abwasser entfernt. Die gegenüber den anderen nicht-ionischen RKM verminderte Entnahmerate ist allerdings nicht auf den Einsatz eines eisenhaltigen Fällmittels zurückzuführen.

Die Untersuchungen zeigen, dass, bei gleicher Dosiermenge in Bezug auf die Molmasse, mit dem Einsatz von Eisen die gleichen Entnahmeraten in der Adsorptionsstufe erzielt werden wie mit einem aluminiumhaltigen Fällmittel. Der eisenhaltige Kohleschlamm weist im Mittel einen um etwa 30 mL/g niedrigeren Schlammindex auf als die Schlammvergleichswerte bei Dosierung von Aluminiumsulfat. Zudem sind bei der Verwendung von Eisen etwas geringere AFS-Gehalte im Ablauf der Adsorptionsstufe vorhanden. Ob der geringere Schlammindex und die niedrigeren AFS-Gehalte tatsächlich auf den Einsatz eines eisenhaltigen Fällmittels zurückzuführen sind, konnte nicht abschließend geklärt werden, da die Vergleichswerte aus den Versuchen mit Aluminiumsulfat nicht im gleichen Zeitraum und damit nicht unter den selben Versuchsbedingungen aufgetreten sind. Fakt ist, dass mit beiden Metallsalzen ein be-triebsstabiler Reinigungsprozess gewährleistet werden kann. Die beiden Metallsalze Aluminium und Eisen sind daher für die Aufgabenstellung der Flockenbildung zum Absetzen der PAC in der Adsorptionsstufe als „gleichwertig“ anzusehen.


Bei der Optimierung der PAC-Abtrennung sind die beiden Reinigungsstufen „Adsorptions-stufe“ und „Filtration“ in Bezug auf deren Anforderung getrennt voneinander zu betrachten. In der Adsorptionsstufe muss eine PAC-Abtrennung dahin gehend erfolgen, dass eine An-reicherung und Kreislaufführung des Adsorbens innerhalb der Reinigungsstufe sichergestellt werden kann. Um einen geregelten Betrieb gewährleisten zu können, muss der Feststoffaus-trag über das Sedimentationsbecken daher kleiner sein, als die Menge der zudosierten bzw. zufließenden Feststoffe. Die Filtration hingegen hat die Aufgabe, einen praktisch kompletten PAC-Rückhalt jederzeit zu gewährleisten.

Die Untersuchungen zeigen, dass durch die Dosiermenge der beiden Hilfsstoffe „Fällmittel“ und „Polymer“ der Feststoffaustrag aus der Adsorptionsstufe gezielt beeinflusst werden kann. Um einen stabilen Betrieb der Adsorptionsstufe gewährleisten zu können, müssen die Hilfsstoffe dauerhaft zugegeben werden.

Aus den Messergebnissen geht hervor, dass mit einer Anordnung der Fällmittelzugabe nach der Polymerdosierung im Ablauf des Kontaktreaktors eine bessere Feststoffabtrennung zu erzielen ist als bei Zugabe des Metallsalzes vor oder innerhalb des Kontaktreaktors. Eine Zugabe von rund 0,4 mg Fe/mg PAC sowie eine Polymerdosierung von 0,25 – 0,5 mg/L haben sich unter den gegebenen Randbedingungen als ausreichend erwiesen. Höhere Polymerdosiermengen von bis zu 1,5 mg/L hatten gemessen an der Trübung nur noch eine geringfügig bessere Feststoffabtrennung zur Folge. Bereits mit einer Dosiermenge von 0,5 mg/L Polymer wies der Ablauf des Sedimentationsbeckens eine Trübung von etwa 2 FNU auf. Ob allein durch eine ausreichend hohe Polymerzugabe ein weitestgehender PAC-Rückhalt in der Adsorptionsstufe dauerhaft gewährleistet werden kann, lässt sich an-hand des Versuchsbetriebs nicht ableiten. Daher wird aus heutiger Sicht eine Flockungs-filtration im Anschluss an die Adsorptionsstufe als notwendig erachtet.

Höhere Fällmitteldosiermengen als der angegebene Richtwert führen nachweislich zu einer besseren Feststoffabtrennung. Aus Untersuchungen ist allerdings bekannt [Metzger, 2010], dass eine höhere Fällmittelzugabe einen höheren Schlammindex zur Folge hat und demnach ein größeres Volumen zur Speicherung des Schlamms im Sedimentationsbecken vorzu-sehen wäre. Eine höhere Fällmittelzugabe führt zudem zu einer höheren Schlamm-produktion, die wiederum, bei gleichbleibendem Feststoffgehalt in der Adsorptionsstufe, eine Verkürzung des „Kohleschlammalters“ hervorruft.

Eine Polymerdosiermenge von bis zu 1,5 mg/L hat keinen Einfluss auf den Schlammindex. Bei Schlämmen mit Polymerdosierung ist im Vergleich zu einem Kohleschlamm ohne Poly-merdosierung ein schnelleres Absinken in den ersten 15 Minuten im Standzylinder zu be-obachten.

Die Dosierung der Hilfsstoffe führt, gemessen an der Entnahme der Summenkonzentration der nicht-ionischen Röntgenkontrastmittel, zu keiner Verschlechterung der Spurenstoffent-nahme. Tendenziell liegt beim Betrieb mit Polymerdosierung eine etwas höhere Entnahme der RKM (etwa 10 Prozentpunkte) vor als beim Betrieb ohne Zugabe des Polymers.

Um mit dem Filterbetrieb einen dauerhaften PAC-Rückhalt sicherstellen zu können, ist die Zugabe von Fällmittel vor dem Filter notwendig. In den Versuchen hat sich eine dauerhafte Dosierung von 1 mg/L Fe zum Erreichen von Feststoffgehalten im Filtrat weit unter 1 mg/L bewährt. Der Feststoffgehalt im Ablauf der Adsorptionsstufe hat keinen signifikanten Einfluss


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auf die Ablaufqualität hinsichtlich der Trübung. Selbst bei einer Abwasserqualität im Zulauf des Filters mit Trübungswerten größer 10 FNU betrug die Trübung im Filtrat weniger als 0,3 FNU. Gemessen an den Sichtfilterpapieren ist bei derartigen Trübungswerten nahezu keine PAC im Abwasser nach der Filtration vorhanden. Gemessen an den minimal auf-tretenden Trübungswerten im Filtrat ist kein Unterschied zwischen Filtergeschwindigkeiten von 4 m/h bis 12 m/h festzustellen. Aus Untersuchungen mit Aluminiumzugabe vor dem Filter ist allerdings bekannt, dass geringere Filtergeschwindigkeiten tendenziell zu niedrigeren Trübungswerten im Filtrat führen als höhere Filtergeschwindigkeiten [Rößler, 2007]. Für einen gesicherten Feststoffrückhalt ist ein dauerhafter Betrieb mit Filter-geschwindigkeiten größer 12 m/h nicht zu empfehlen.

Für die Beurteilung eines ausreichenden PAC-Rückhaltes hat sich eine Trübungssonde im Ablauf des Filters als sinnvoll erwiesen: Eine geringfügige, augenscheinlich nicht zu er-fassende Verschlechterung der Filtratqualität hinsichtlich des PAC-Rückhaltes kann aus-reichend genau mit einer Trübungsmessung erfasst werden. Bei einem signifikanten Trübungsanstieg ist die Rückspülung des Filters einzuleiten.

Mit Hilfe eines Partikelmessgerätes wurden die Feststoffe im Filtrat quantifiziert: Der Messung nach ist davon auszugehen, dass mit einer Flockungsfiltration Feststoffe bis zu einer Partikelgröße von 10 µm Durchmesser weitestgehend zurückgehalten werden können. Da das kleinste Korn der eingesetzten PAC etwa einen Durchmesser von 0,5 µm aufweist, ist es durchaus möglich, dass es sich bei denen im Filtrat enthaltenen Partikeln um PAC handelt. Der geringfügig grauen Färbung der Sichtfilterpapiere nach ist dies nicht unbedingt auszuschließen. Die Partikelmessung reagiert wesentlich sensibler auf eine Veränderung des „Feststoffgehalts“ im Filtrat als die Trübungsmessung: Während nach Abschalten der Fällmitteldosierung nahezu keine Veränderung der Trübung eintrat, konnte bei der Partikel-messung ein zeitnaher Anstieg der Partikelanzahlen beobachtet werden. Eine dauerhafte Installation eines Partikelzählgerätes im Ablauf des Filters zur Steuerung der Rückspülung erscheint allerdings nicht notwendig.

Eine Verschlechterung der Trübung ist nicht unbedingt auf eine unzureichende Druckreserve oder auf eine Verlagerung der zurückgehaltenen Feststoffe in den unteren Teil des Filter-bettes zurückzuführen.

Der gewählte Schichtenaufbau des Filterbetts mit einer 75 cm hohen Quarzsandschicht der Körnung 0,71 mm – 1,25 mm und einer darüberliegenden 75 cm mächtigen Anthrazitschicht mit einer Körnung von 1,4 mm – 2,5 mm hat sich für einen dauerhaften PAC-Rückhalt be-währt. Zu Anfang eines Filterlaufs lagern sich die Feststoffe in der oberen Anthrazitschicht (ca. 20 cm) ein. Mit zunehmendem Durchsatz ist zusätzlich eine Einlagerung in der oberen Quarzsandschicht zu beobachten. Bei Filtergeschwindigkeiten ab 10 m/h ist nach einer Filterlaufzeit von 24 Stunden außerdem eine Einlagerung in der mittleren Anthrazitschicht gegeben. Beim Betrieb mit einer Geschwindigkeit von 12 m/h findet zusätzlich eine Ein-lagerung ab der mittleren Quarzsandschicht statt. Der untere Bereich des Anthrazits wird am wenigsten mit Feststoffen beaufschlagt. Um einen einwandfreien Betrieb gewährleisten zu können, sollte daher die Quarzsandschicht nicht wesentlich kleiner sein als im Versuchsfilter. Die Höhe der Anthrazitschicht hingegen kann durchaus etwas geringer gewählt werden. Die vorhandene Überstauhöhe von knapp 2 m zur Sicherstellung der notwendigen Druck-reserven hat sich für den Betrieb als ausreichend erwiesen. Aufgrund der aufgetretenen Druckverluste kann der Überstau auch durchaus etwas geringer dimensioniert werden. Allerdings ist anzumerken, dass im Überstauraum auch gleichzeitig das Reifen der Flocken


stattfindet. Daher sollte der Überstau nicht zu klein gewählt werden. Beim Versuchsfilter bei-spielsweise beträgt die mittlere Aufenthaltszeit des Abwassers im Überstau bei einer Filter-geschwindigkeit von 12 m/h etwa 10 Minuten.

In den Untersuchungen wurden für Filtergeschwindigkeiten bis zu 12 m/h durchweg Lauf-zeiten von über 24 Stunden erzielt. In den meisten Fällen wurde der Filterlauf aufgrund eines Trübungsanstiegs im Filtrat beendet. Mit höheren Filtergeschwindigkeiten werden in der Regel kürzere Laufzeiten erzielt als mit niedrigeren Geschwindigkeiten. Die mittlere Laufzeit bei einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h betrug etwa 60 Stunden.

Bei der Beurteilung der Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit des Abwassers ist zu berücksichtigen, dass das untersuchte Reinigungssystem aus zwei Verfahrensstufen be-steht. Bezugspunkt für die Bewertung der weitergehenden Reinigung bildet der Ablauf der Nachklärung. Durch die Adsorptionsstufe wird die Bakterienanzahl der Fäkalindikatorpara-meter zum Teil bis um eine "log-Stufe" verringert. Aerobe Bakterien indes werden in der ad-sorptiven Reinigungsstufe nicht zurückgehalten. Die Flockungsfiltration stellt durchaus eine wirksame Barriere zur Verbesserung der hygienischen Beschaffenheit des Abwasser dar: Die Bakterienanzahlen der einzelnen Fäkalindikatorparameter werden gegenüber dem Ab-wasser im Filterzulauf um mindestens eine "log-Stufe" verringert, die Koloniezahlen weisen im Filtrat ebenfalls um eine "log-Stufe" geringere Anzahl an Bakterien auf.

Bei höheren Filtergeschwindigkeiten ist ein etwas besserer Rückhalt der Fäkalindikator-parameter zu beobachten. Den Untersuchungsergebnissen zu folgern sollte der Filter daher mit einer Filtergeschwindigkeit von mindestens 8 m/h betrieben werden. Mit zunehmender Filterlaufzeit ist tendenziell eine Verschlechterung der hygienischen Beschaffenheit des Filtrats festzustellen. Es empfiehlt sich daher, die Filterlaufzeit zu begrenzen. Ein Ausfall der Fällmitteldosierung vor dem Filter hat keinen signifikanten Einfluss auf den Rückhalt der mikrobiologischen Parameter.

In Bezug auf den Ablauf der biologischen Reinigungsstufe ist mit dem angewandten Gesamt-system der weitergehenden Abwasserreinigung aufgrund der Forderung einer weitest-gehenden Feststoffabtrennung eine signifikante Verbesserung der hygienischen Be-schaffenheit des Abwasser zu erzielen. Die Parameter Eschericia coli, Enterokokken sowie Clostridium perfringens können um bis zu zwei "log-Stufen" verringert werden, wobei die Bakteriengattung Clostridium perfringens im Versuchsbetrieb nahezu komplett zurück-gehalten wurde.

Die Mahlfeinheit einer PAC hat keinen signifikanten Einfluss sowohl auf den Betrieb der Ad-sorptionsstufe als auch auf den Rückhalt des Adsorbens. Die feinste eingesetzte PAC (x10 = 3,9 µm) konnte im Versuchsbetrieb problemlos mit dem Filter zurückgehalten werden. Ob diese Aussage auch für sehr viel feinere Pulveraktivkohlen gültig ist, bleibt offen.

Aus den Durchlaufversuchen mit den aufgemahlenen Kornkohlen geht hervor, dass bereits beladene Aktivkohlen ein ähnliches Entnahmeverhalten in der Adsorptionsstufe, wenn auch auf einem anderen Niveau, aufweisen, wie eine frische PAC: Mit zunehmender Restorganik im Zulauf zur Adsorptionsstufe kann mit gleicher PAC-Dosierung absolut mehr DOC entfernt werden. Allerdings wurden mit allen aufgemahlenen Kohlen geringere Entnahmeraten erzielt als mit dem Einsatz der unbeladenen PAC "SAE Super" der Firma Norit. Mit einer Dosier-


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menge von 10 mg/L der aufgemahlenen, bereits beladenen Kornkohlen konnte die Rest-organik in der Adsorptionsstufe je nach Kohle um 20 Prozent bis 35 Prozent verringert werden. Die Entnahmeraten der Spurenstoffe sind im Bericht des Teilprojekts 2A be-schrieben.

Aus den Untersuchungen geht zudem hervor, dass das Resultat eines Durchlaufbetriebs nicht bzw. nur bedingt über die Ergebnisse von Standversuchen abgeschätzt werden kann. Beispielsweise wurde im Becherglasversuch mit dem Einsatz von Eisen weniger DOC aus dem Abwasser entfernt als beim Einsatz von Aluminium. Im Durchlaufbetrieb wird mit beiden Metallsalzen jeweils die gleiche DOC-Entnahme erzielt. Ähnliches gilt auch für die Ver-wendung der aufgemahlenen Kornkohlen: Im Standversuch hatte die Dosierung von 20 mg/L der Kohle F300 keine DOC-Verringerung zur Folge, im Durchlaufbetrieb wurde mit der gleichen Kohle bei einer Dosierung von 10 mg/L eine mittlere prozentuale DOC-Entnahme von 25 Prozent erzielt. Zudem war im Standversuch nicht eindeutig auszumachen, welche der drei eingesetzten Kornkohlen die höchste prozentuale DOC-Entnahmerate im Durchlauf-betrieb aufweisen wird.

Abschließend ist zu bemerken, dass im Rahmen dieses Projektes die Möglichkeit untersucht wurde, Pulveraktivkohle mit einem abwärts durchströmten Zweischichtfilter zurückzuhalten. In der kommunalen Abwasserbehandlung werden neben diesem "klassischen" Filtertyp auch andere Filterarten eingesetzt. Gerade im Hinblick auf die Anwendung von Pulveraktivkohle in kleinen und mittleren Klärwerken (~ bis 50.000 EW) ist daher zu hinterfragen, ob beispiels-weise mit einem kontinuierlich gespülten Filter, einer Tuchfiltration oder Mikrosieben ein ähn-lich guter Rückhalt der PAC erzielt werden kann. Bei positivem Ergebnis wären Dimensionierungskriterien zu erarbeiten.

Um weitere Erkenntnisse zum Absetzen des Kohleschlamms in horizontal durchströmten Absetzbecken zu sammeln, sollten die ersten technisch realisierten Projekte der adsorptiven Verfahrenstechnik wissenschaftlich begleitet werden.

Ein weiterer Aspekt, der bei der Umsetzung des Verfahrens von wesentlicher Bedeutung ist, ist eine ausreichend gute Einmischung der Hilfsstoffe. Gerade die Abtrennung bzw. der Rückhalt von Feststoffen wird entscheidend durch die Dosierung von Hilfsstoffen beeinflusst. In einer Versuchsanlage gelingt es meist relativ einfach, den gesamten Volumenstrom mit dem dosierten Hilfsstoff zu beaufschlagen. In der kommunalen Abwasserpraxis ist immer wieder zu sehen, dass Fällmittelprodukte nicht ausreichend eingemischt werden, sondern punktuell in einen breiten Volumenstrom zugegeben werden. Um einen ausreichenden Effekt zu erzielen, wird daher in vielen Fällen überdosiert. Bei der Planung der Verfahrenstechnik sollte daher die Dosiertechnik und Einmischung der Hilfsstoffe besonders durchdacht werden.

Biberach, 10. Januar 2011

Dipl.-Ing.(FH) S. Metzger Dipl.-Ing.(FH) A. Rößler Prof. Dr.-Ing. H. Kapp

Literaturverzeichnis 62

Literaturverzeichnis

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Bahr, C.; Ernst, M.; Jekel, M.; Heinzmann, B.; Luck, F.; Ried, A. (2007): Pilotuntersuchungen zur kombinierten oxidativ-biologischen Behandlung von Klärwerks-abläufen für die Entfernung von organischen Spuren- und Wirkstoffen und zur Desinfektion. Schriftenreihe Kompetenzzentrum Wasser Berlin, Band 5, http://www.kompetenz-wasser.de/fileadmin/user_upload/pdf/downloads/Band5_Schriftenreihe_KWB_web.pdf (02.11.2010)

Cornel, P. (2007): Potenzielle Anforderungen an die Abwasserreinigung der Zukunft. In: Schriftenreihe WAR, Band 190, Darmstadt, S.1-29

Dammann, E. (2008): Dosierung von Pulveraktivkohle vor einem Abwasserfilter. Diplomarbeit im Fachbereich Bau-ingenieurwesen an der Hochschule Biberach

DIN 38 409 Teil 2 (März 1987): Summarische Wirkungs- und Stoffkenngrößen (Gruppe H), Bestimmung der abfiltrierbaren Stoffe und des Glührückstandes (H 2)

Fahlenkamp, H.; Nöthe, T.; Ries, T.; Hannich, C.B.; Peulen, C.; Stock, H.-D.; Reupert, R.; Danzig, J.; Möhle, E.; Spiteller, M.; Rolfs, C.-H.; Pehl, B.; Schaaf, O.; Poppe, A. (2004): Untersuchungen zum Eintrag und zur Elimination von gefährlichen Stoffen in kommunalen Kläranlagen – Teil 1. Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben, Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (MUNLV) des Landes NRW. Greiserdruck, Raststatt (ISBN: 3-9808617-6-7)

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Literaturverzeichnis

63

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Ternes, T.A. (2001): Vorkommen von Pharmaka in Gewässern. Wasser & Boden, 53/4, S.9-14

Anlagenverzeichnis 64

Anlagenverzeichnis

A Produktspezifikationen...................................................................................................65

A1 Fällmittel ..................................................................................................................................................65 A2 Flockungshilfsmittel..................................................................................................................................66 A3 Pulveraktivkohle.......................................................................................................................................67

B Versuchsfilter ..................................................................................................................68

C Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe..............................................................69

C1 Einfluss der Fällmitteldosierstelle und -menge auf den Feststoffrückhalt in der Adsorptionsstufe ...........69 C2 Einfluss der Hilfsstoffdosierung auf die Spurenstoffentfernung................................................................71

C2-1 Einfluss der nicht-ionischen Röntgenkontrastmittelsummenkonzentration sowie der Konzentration des Wirkstoffs Iopamidol auf die prozentuale Entnahme der nicht-ionischen Röntgenkontrastmittelsummenkonzentration................................................................................71

C2-2 Verwendung der Pulveraktivkohle Norit SAE Super .....................................................................75 C2-3 Verwendung der aufgemahlenen Kornkohle F 300 ......................................................................76

D Feststoffabtrennung in der Filtration ............................................................................77

D1 Hygieneuntersuchung..............................................................................................................................77 D2 Partikelmessung ......................................................................................................................................78

Anlagenverzeichnis

65

A Produktspezifikationen

A1 Fällmittel

Abbildung A1: Auszug aus dem Datenblatt des verwendeten Fällmittels


A2 Flockungshilfsmittel

Abbildung A2: Auszug aus dem Datenblatt des verwendeten Flockungshilfsmittel

Anlagenverzeichnis

67

A3 Pulveraktivkohle

Abbildung A3: Auszug aus dem Datenblatt der eingesetzten Pulveraktivkohle SAE Super

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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Partikeldurchmesser [μm]

Unt

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[%]

Bez

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Vol

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Abbildung A4: Partikelgrößenverteilung der Pulveraktivkohle „SAE Super“ der Firma Norit


B Versuchsfilter

~ 7

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71

1010

20,9

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15,2

22,2

19,6

20,0

19,7

~ 1

73

150

~ 1

95

10

Abbildung B1: Aufbau Versuchsfilter

Anlagenverzeichnis

69

C Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe

C1 Einfluss der Fällmitteldosierstelle und -menge auf den Feststoff-rückhalt in der Adsorptionsstufe

FM-Dosierstelle:

vor Kontaktreaktor

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:

Verteilbauwerk

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:

Übergang 1. – 2. Becken

8:55 12.00 15.25

Die

ns

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1 a 1 b 1 c

2 a 2 b 2 c

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Montag00:00

Dienstag00:00

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Donnerstag00:00

Freitag00:00

Samstag00:00

Sonntag00:00

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Zeitpunkt der Probenahme




1a b c

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3a b c

4a b c

FM-Dosierstelle:

vor Kontaktreaktor

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:

Verteilbauwerk

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:


8:55 12.00 15.25

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FM-Dosierstelle:

vor Kontaktreaktor

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:

vor Kontaktreaktor

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:

Verteilbauwerk

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:

Verteilbauwerk

8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:


8:55 12.00 15.25

FM-Dosierstelle:


8:55 12.00 15.258:55 12.00 15.25

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Montag00:00

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Mittw och00:00

Donnerstag00:00

Freitag00:00

Samstag00:00

Sonntag00:00

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Abbildung C1: Sichtfilterpapiere zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Untersuchung zum Einfluss der Fällmitteldosierstelle und -menge auf den Feststoffrückhalt in der Ad-sorptionsstufe (filtriertes Probevolumen = 200 mL)


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17.07.0900:00

19.07.0900:00

21.07.0900:00

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25.07.0900:00

27.07.0900:00




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21.07.0900:00

23.07.0900:00

25.07.0900:00

27.07.0900:00




Abbildung C2: Einfluss der Fällmitteldosierstelle auf die Feststoffabtrennung in der Adsorptionsstufe

(Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Fällmitteldosierung = konstant 4 mg/L Fe)

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FHM-Dosierung

Trübung online

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1,7 FNU

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4,6 FNU

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3,5 FNU

1,8 FNU

2,2 FNU

1,3 FNU

2,2 FNU

1,1 FNU

1,7 FNU

Trübung Handmessgerät

Eingebaute Trübungssonde

Einfluss unterschiedlicher FHM-Dosiermengenauf den Feststoffabtrieb nach dem Sedi.-Becken II

Sichtfilter: 200 mL Probe filtriert

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FHM-Dosierung

Trübung online

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8,5 FNU

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FHM-Dosierung

Trübung online

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Abbildung C3: Einfluss der FHM-Dosierung auf den Feststoffabtrieb aus dem Sedimentations-becken (filtriertes Probevolumen: 200 mL)

Anlagenverzeichnis

71

C2 Einfluss der Hilfsstoffdosierung auf die Spurenstoffentfernung

C2-1 Einfluss der nicht-ionischen Röntgenkontrastmittelsummenkonzentration sowie der Konzentration des Wirkstoffs Iopamidol auf die prozentuale Ent-nahme der nicht-ionischen Röntgenkontrastmittelsummenkonzentration

„Summenkonzentration nicht-ionische RKM“ [ng/L]

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„Summenkonzentration nicht-ionische RKM“ [ng/L]

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0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000

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Abbildung C4: Entnahme der nicht-ionischen Summenkonzentration in Abhängigkeit der absoluten

Konzentration der Summenkonzentration

Konzentration Iopamidol [ng/L]

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Konzentration Iopamidol [ng/L]

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Abbildung C5: Entnahme der nicht-ionischen Summenkonzentration in Abhängigkeit der

Konzentration des Wirkstoffs Iopamidol


0%

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80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“

Iohexol Iomeprol Iopamidol Iopromid

∑ nicht-ionischeRKM [ng/L]

proz. Entnahme nicht-ionische RKM [%]

0,00 mg/L 0,25 mg/L 0,50 mg/L 1,00 mg/L 1,50 mg/LFHM-Dosierung

9.170 11.500 21.200 16.300 10.300 17.400 20.900 20.200 40.100 32.800

43 54 54 61 65 68 69 67 69 60

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“





9.170 11.500 21.200 16.300 10.300 17.400 20.900 20.200 40.100 32.800

43 54 54 61 65 68 69 67 69 60





0,00 mg/L 0,25 mg/L 0,50 mg/L 1,00 mg/L 1,50 mg/LFHM-Dosierung 0,00 mg/L 0,25 mg/L 0,50 mg/L 1,00 mg/L 1,50 mg/LFHM-Dosierung

9.170 11.500 21.200 16.300 10.300 17.400 20.900 20.200 40.100 32.800

43 54 54 61 65 68 69 67 69 60

Abbildung C6: Zusammensetzung der nicht-ionischen RKM-Summenkonzentration der Zulauf-

proben bei den Untersuchungen zur Polymerdosierung (zu Abbildung 4-8)

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




0,00 mg/L 0,25 mg/LFHM-Dosierung

16.700 14.000 12.300 34.200

68 69 64 72

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




0,00 mg/L 0,25 mg/LFHM-Dosierung

16.700 14.000 12.300 34.200

68 69 64 72

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%



Anlagenverzeichnis

73



Dos.-stelle 1 Dos.-stelle 2FM-Dosierstelle

19.000 16.600 21.200 16.300

61 49 54 61

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%



Dos.-stelle 1 Dos.-stelle 2FM-Dosierstelle

19.000 16.600 21.200 16.300

61 49 54 61

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%



Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




0,0 mg/L 2,0 mg/L 4,0 mg/L 8,0 mg/LFM-Dosierung

23.700 21.200 21.200 11.800 21.200 16.300 12.300 34.200

79 75 62 57 54 61 64 72

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




0,0 mg/L 2,0 mg/L 4,0 mg/L 8,0 mg/LFM-Dosierung

23.700 21.200 21.200 11.800 21.200 16.300 12.300 34.200

79 75 62 57 54 61 64 72

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


proben bei den Untersuchungen zur Fällmitteldosiermenge (zu Abbildung 4-6)


Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




4,0 mg/L 8,0 mg/LFM-Dosierung

9.170 11.500 16.700 14.000

43 54 68 69

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




4,0 mg/L 8,0 mg/LFM-Dosierung

9.170 11.500 16.700 14.000

43 54 68 69

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


proben bei den Untersuchungen zur Fällmitteldosiermenge (zu Abbildung C12)

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




0,00 mg/L 0,25 mg/L 0,50 mg/LFHM-Dosierung

34.900 33.600 21.100 31.200 25.800 34.700

50 49 51 49 56 59

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Pro

zen

tual

e Z

usa

mm

ense

tzu

ng

der

„S

um

men

kon

zen

trat

ion

nic

ht-

ion

isch

e R

KM

“




0,00 mg/L 0,25 mg/L 0,50 mg/LFHM-Dosierung

34.900 33.600 21.100 31.200 25.800 34.700

50 49 51 49 56 59

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


proben bei den Untersuchungen zur Polymerdosiermenge (zu Abbildung C14)

Anlagenverzeichnis

75

C2-2 Verwendung der Pulveraktivkohle Norit SAE Super

Zeit [min]

En

tnah

me

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Am

idot

rizoe

-sä

ure

Iota

lam

in-

säur

e

Ioxi

thal

amin

-sä

ure

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

DO

C

4 mg/L

8 mg/L

Nicht-ionische RKMNicht-ionische RKMIonische RKMIonische RKM

Abbildung C12: Einfluss der Fällmitteldosiermenge bei Einsatz von Eisen auf die Entnahme von Röntgenkontrastmitteln bei Betrieb ohne Polymerzugabe (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Fällmitteldosierstelle = Verteilbauwerk; n = 2)

Zeit [min]

En

tnah

me

[%]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Am

idot

rizoe

-sä

ure

Iota

lam

in-

säur

e

Ioxi

thal

amin

-sä

ure

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

DO

C

0,00 mg/L

0,25 mg/L

Abbildung C13: Einfluss der Polymerdosierung auf die Entnahme von Röntgenkontrastmitteln bei

einer Fällmitteldosiermenge von 8 mg/L Fe (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Fällmitteldosierstelle = Verteibauwerk; n = 2)


C2-3 Verwendung der aufgemahlenen Kornkohle F 300 E

ntn

ahm

e [%

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Am

idot

rizoe

-sä

ure

Iota

lam

in-

säur

e

Ioxi

thal

amin

-sä

ure

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

DO

C

0,00 mg/L0,25 mg/L0,50 mg/L


En

tnah

me

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Am

idot

rizoe

-sä

ure

Iota

lam

in-

säur

e

Ioxi

thal

amin

-sä

ure

Iohe

xol

Iom

epro

l

Iopa

mid

ol

Iopr

omid

Sum

me

nich

t-io

nisc

heR

KM

DO

C

0,00 mg/L0,25 mg/L0,50 mg/L


Abbildung C14: Einfluss der Polymerdosierung auf die Entnahme von Röntgenkontrastmitteln (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Fällmitteldosierstelle = Verteilbauwerk; Fällmitteldosierung = 4 mg/L Fe, n = 2)

En

tnah

me

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Dic

lofe

nac

Ket

opro

fen

Fen

ofib

rin-

säur

e

Bez

afib

rat

Car

bam

azep

in

Nap

roxe

n

Sum

me

Arz

neim

ittel

-w

irkst

offe

DO

C0,00 mg/L0,25 mg/L0,50 mg/L

En

tnah

me

[%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Dic

lofe

nac

Ket

opro

fen

Fen

ofib

rin-

säur

e

Bez

afib

rat

Car

bam

azep

in

Nap

roxe

n

Sum

me

Arz

neim

ittel

-w

irkst

offe

DO

C0,00 mg/L0,25 mg/L0,50 mg/L

Abbildung C15: Einfluss der Polymerdosierung auf die Entnahme von Arzneimittelwirkstoffen (Qzu = 1.700 L/h; PAC-Dosierung = 10 mg/L; Fällmitteldosierstelle = Verteilbauwerk; Fällmitteldosierung = 4 mg/L Fe; n = 2)

Anlagenverzeichnis

77

D Feststoffabtrennung in der Filtration

D1 Hygieneuntersuchung

Tabelle D1 Übersicht über die Probenahmezeitpunkte der Stichproben für die Hygieneunter-suchungen

Filtergeschwindigkeit [m/h] 4 6 8 10 12

Filterlaufzeit [h] 2,25 2,2 7 3 1,75

Durchsatz [m³] 1,8 2,5 11,0 5,9 4,1

Filterlaufzeit [h] 19 20,5 21,5 18,5 14

Durchsatz [m³] 14,9 24,2 33,8 36,3 33,0

Probenahme 1

Probenahme 2


D2 Partikelmessung

0110100

1.00

0

10.0

00

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

Tüb[FNU]

Partikelanzahl [1/mL]

Trübung [FNU]

Lau

fzei

t [S

td.]

> 1

µm

> 2

µm

> 3

µm

> 4

µm

> 5

µm

> 7

µm

> 10

µm

> 11

µm

> 15

µm

> 18

µm

> 20

µm

> 25

µm

> 30

µm

> 50

µm

> 10

0 µm

Trüb

ung

Hygiene 1

Hygiene 2

Hygiene 3

Hygiene 4

1,0

mg

/L F

e0,

5 m

g/L

Fe

0,0

mg

/L F

e

Fäl

lmit

teld

osi

erm

eng

evo

r d

em

Filt

er

0,1

Abbildung D2: Partikelanzahl, Trübung und Sichtfilterpapiere (filtrierte Wassermenge = 1.000 mL)

während eines Filterlaufs (Filtergeschwindigkeit = 10 m/h)

Abbildungsverzeichnis

79


Kapitel 1

Abbildung 1-1: Verfahrensprinzip und Anordnung des adsorptiven Reinigungsverfahrens in der kommunalen Klärtechnik .................................................................................4

Abbildung 1-2: Untersuchungsumfang und Vorgehensweise............................................................6

Kapitel 2

Abbildung 2-1: Aufbau der Versuchsanlage ......................................................................................7

Abbildung 2-2: Anordnung der Dosierstellen im Bereich des Kontaktreaktors sowie Ausbildung der Fällmitteldosierstelle vor dem Kontaktreaktor ..................................9

Abbildung 2-3: Fällmitteldosier- und einmischstelle vor dem Filter .................................................10

Abbildung 2-4: Einflussfaktoren auf die Feststoffabtrennung sowie Kriterien zur Beurteilung der Feststoffabtrennung .......................................................................12

Abbildung 2-5: Sichtfilterpapiere mit verschiedenen PAC-Einwaagen bzw. „Schwarzgraden“ .............................................................................................13

Kapitel 3

Abbildung 3-1: DOC-Verringerung aufgrund Fällmitteldosierung ....................................................16

Abbildung 3-2: Absolute DOC-Entnahme in der Adsorptionsstufe bei einer PAC-Dosierung von 10 mg/L ....................................................................17

Abbildung 3-3: Entnahme von Spurenstoffen in der Adsorptionsstufe bei einer Dosierung von 10 mg/L PAC (Norit SAE Super) und Verwendung unterschiedlicher Metallsalze als Fällmittel..........................................................................................18

Abbildung 3-4: Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen im Ablauf der Adsorptionsstufe beim Einsatz von Aluminium und Eisen ...........................................................................19

Abbildung 3-5: Schlammindex des Kohleschlamms der Adsorptionsstufe beim Einsatz von Aluminium und Eisen ........................................................................................20

Abbildung 3-6: Pges, gelöst im Ablauf des Sedimentationsbeckens in Abhängigkeit des gelösten Pges-Wertes im Zulauf zur Adsorptionsstufe .............................................21

Kapitel 4

Abbildung 4-1: Einfluss der Fällmitteldosiermenge auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Adsorptionsstufe bei Zugabe des Fällmittels vor dem Kontaktreaktor..............22

Abbildung 4-2: Einfluss der Fällmitteldosierstelle und -dosiermenge auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Adsorptionsstufe...............................................23

Abbildung 4-3: Einfluss der Hilfsstoffdosieranordnung auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Adsorptionsstufe................................................................................25

Abbildung 4-4: Einfluss der Polymerdosiermenge auf die Feststoffabtrennung innerhalb der Adsorptionsstufe................................................................................................26

Abbildung 4-5: Absetzverhalten des Kohleschlamms bei unterschiedlichen Polymerdosiermengen..........................................................27

Abbildungsverzeichnis 80

Abbildung 4-6: Einfluss der Fällmitteldosiermenge auf die Entnahme von Spurenstoffen am Beispiel der Röntgenkontrastmittel....................................................................28

Abbildung 4-7: Einfluss der Fällmitteldosierstelle auf die Entnahme von Spurenstoffen am Beispiel der Röntgenkontrastmittel..........................................................................29

Abbildung 4-8: Einfluss der Polymerdosierung auf die Entnahme von Spurenstoffen am Beispiel der Röntgenkontrastmittel..........................................................................30

Kapitel 5

Abbildung 5-1: Phasen eines Filterlaufs ..........................................................................................31

Abbildung 5-2: Einfluss der Fällmitteldosierung auf den Feststoffrückhalt im Filter ........................32

Abbildung 5-3: Einfluss der Feststoffablaufqualität der Adsorptionsstufe auf die Trübung nach dem Filter ........................................................................................................33

Abbildung 5-4: Minimal erzielte Trübung in Abhängigkeit der Filtergeschwindigkeit.......................34

Abbildung 5-5: Hygienische Beschaffenheit im Ablauf der biologischen Reinigungsstufe als auch im Ablauf der Adsorptionsstufe .................................................................36

Abbildung 5-6: Einfluss der Filtergeschwindigkeit auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers nach der Filtration .................................................................................37

Abbildung 5-7: Einfluss des spezifischen Filterdurchsatzes auf die hygienische Beschaffenheit des Abwassers nach der Filtration .................................................38

Abbildung 5-8: Einfluss der Filterlaufzeit auf die hygienische Beschaffenheit nach der Filtration ....................................................................................................40

Abbildung 5-9: Trübungsverlauf im Ablauf des Filters und hygienische Beschaffenheit des Abwassers zu unterschiedlichen Betriebszeitpunkten ............................................41

Abbildung 5-10: Partikelanzahl, Trübung, Sichtfilterpapiere (filtrierte Wassermenge = 1.000 mL) sowie hygienische Beschaffenheit des Filtrats während eines Filterlaufs ......................................................................43

Abbildung 5-11: Mittlere Filterlaufzeit in Abhängigkeit von der Filtergeschwindigkeit .......................44

Abbildung 5-12: Micheau-Diagramm für verschiedene Versuchsläufe mit einer Filtergeschwindigkeit von 8 m/h nach einer Filterlaufzeit von 24 Stunden..............45

Abbildung 5-13: Micheau-Diagramm für verschiedene Filtergeschwindigkeiten nach 24 Stunden Filterlaufzeit ..........................................................................................46

Abbildung 5-14: Micheau-Diagramm für verschiedene Filtergeschwindigkeiten bei einem spezifischen Durchsatz von 288 m³/m² ...................................................................47

Abbildung 5-15: Trübung im Ablauf des Filters und Einlagerungsverhalten im Filterbett zweier Filterläufe mit einer Filtergeschwindigkeit von 6 m/h ...................................48


81

Kapitel 6

Abbildung 6-1: DOC-Entnahme im Standversuch beim Einsatz verschiedener Aktivkohlen nach einer Rührdauer von 24 Stunden....................................................................50

Abbildung 6-2: Absolute DOC-Entnahmen der drei aufgemahlenen Kornkohlen im Vergleich zur Reinigungsleistung der Frischkohle „Norit SAE Super“ in der Adsorptionsstufe bei einer PAC-Dosierung von jeweils 10 mg/L ............................52

Abbildung 6-3: Schlammindices des Kohleschlamms in der Adsorptionsstufe bei Verwendung aufgemahlener Kornkohlen ................................................................53

Abbildung 6-4: Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen im Ablauf der Adsorptionsstufe bei der Verwendung von aufgemahlenen Kornkohlen ........................................................53

Abbildung 6-5: Trübung vor und nach dem Sandfilter während des Einsatzes der aufgemahlenen Kornkohlen in der Adsorptionsstufe...............................................54

Tabellenverzeichnis 82

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1: Dimensionen der Versuchsanlage.............................................................................8

Tabelle 2-2: eingesetzte Pulveraktivkohlen .................................................................................10

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis

83

Abkürzungs- und Symbolverzeichnis

AFS Abfiltrierbare Stoffe mg/L

BG Bestimmungsgrenze

BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung

CSB Chemischer Sauerstoffbedarf mg/L

DOC gelöster organisch gebundener Kohlenstoff mg/L

F Filtration

Fe Eisen

FHM Flockungshilfsmittel

FM Fällmittel

FuE-Vorhaben Forschungs- und Entwicklungsvorhaben

ISV Schlammvolumenindex mL/g

NKB Nachklärbecken

PAC Pulveraktivkohle (engl.: powder activated carbon)

Pges Gesamtphosphat mg/L

PO4-P Orthophosphat mg/L

POC partikulärer, organisch gebundener Kohlenstoff mg/L

RKM Röntgenkontrastmittel

SAK Spektraler Absorptionskoeffizient 1/m

SB Sedimentationsbecken

SK Summenkonzentration

SV Schlammvolumen ml/L

TOC gesamter organisch gebundener Kohlenstoff mg/L

TS Trockensubstanz

TZW Technologiezentrum Wasser

vF Filtergeschwindigkeit m/h

WS Wassersäule

schlussbericht tp 2b - 02wa1023 - cleaner production · the retention of the pac can be directly...

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