Technische Umsetzung und Implementierung einer Ozonungsstufe für nach dem Stand der Technik gereinigtes kommunales Abwasser - Heranführung an den Stand der Technik

Laufzeit:
2008-2011

Ansprechperson:
Dr. Norbert Kreuzinger norbkreu(at)iwag.tuwien.ac.at

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Kurzinformationen zum Projekt

Motivation

Nach der Realisierung einer flächendeckenden Kohlenstoff- und Nährstoffentfernung auf Kläranlagen werden vermehrt weitere ökologische und gesellschaftliche Fragestellungen und Probleme aufgeworfen, welche die Frage nach der Notwendigkeit einer weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit von Kläranlagen in den Raum stellen. Diese Problembereiche umfassen etwa hygienische Aspekte, durch selbst nach dem Stand der Technik gereinigtes Abwasser hervorgerufene ökotoxikologische Effekte (hormonelles Potential, Mutagenität; …), Schaumentwicklung, Eigenfärbung des Abwassers oder der Eintrag von Xenobiotica in die Gewässer.

In zahlreichen in der wissenschaftlichen Literatur publizierten Laborversuchen konnte die grundsätzliche Eignung einer Abwasseroxidation mittels Ozon (Ozonung) als weitergehenden Behandlungsschritt zu Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Kläranlagen in Hinblick auf die Behandlung dieser Problembereiche unter Beweis gestellt werden. Dabei wurden auch grundlegende Verfahrensweisen, Rahmenbedingungen und auch Grenzen der Leistungsfähigkeit einer Ozonung dargestellt. Bis dato gibt es jedoch keine Untersuchungen zur verfahrenstechnischen sowie steuerungstechnischen Implementierung der Ozonung auf kommunalen Kläranlagen. Zentrale Aspekte wie Art des Ozoneintrags, Reaktionsbedingungen sowie Steuerung des Ozoneintrags oder Protzesstabilität und Kosten wurden als Basis für eine großtechnische Anwendung noch nicht untersucht. Das Ziel dieses Projekts ist es, unabhängig von einer firmentechnisch spezifischen Umsetzung Grundlagen für den praktischen Einsatz einer Ozonung im Bereich der kommunalen Abwasserreinigung zu erarbeiten und diese allgemein als Entscheidungs- und Umsetzungshilfen verfügbar zu machen

Projektinhalte

Folgende Auswirkungen einer Ozonierung von Kläranlagenablauf wurden untersucht:

• Abbaupotential einer Ozonierung für anthropogene Spurenstoffe
• Ökotoxikologische Effekte durch die Bildung von Nebenprodukten
• Auswirkungen auf die Endokrinologie
• Auswirkungen auf den BSB
• Auswirkung auf den Keimgehalt und die Desinfektionswirkung von Ozon
• Entfärbung des Kläranlagenablaufs

Abstract

Die Entfernung von anthropogenen Spurenstoffen aus Kläranlagenablauf stellt derzeit einen zentralen Diskussionspunkt in der Wassergütewirtschaft dar.

Im Forschungsprojekt KomOzon wurde die Ozonierung als Technologie für die weitergehende Abwasserreinigung hinsichtlich der Fragestellungen Spurenstoffentfernung, Mutagenität, Ökotoxizität, Verringerung der Keimzahlen und betrieblicher Umsetzung, wie eingesetzte Ozondosis, Steuerung und Regelung, Aufenthaltszeit, untersucht.

Viele der untersuchten anthropogenen Spurenstoffe, die in der konventionellen Abwasserreinigung nicht oder nur zu einem geringen Teil abgebaut werden, wie etwa Carbamazepin, konnten durch die Ozonierung vermehrt entfernt werden. Die Konzentrationen im Ablauf der beiden in Serie geschalteten Versuchsreaktoren (Ozoneintragsbehälter und Reaktionsbehälter) unterscheiden sich bei in Summe 16-20 min (2 x 8-10 min) nicht signifikant voneinander. Dennoch wird aus Gründen der Verfahrens- und Betriebssicherheit (Matrixschwankungen, potentielle Ozonüberdosierung und damit für eine Vermeidung des Durchschlagens von Ozon in den Ablauf) der 2. Reaktor als notwendig erachtet.

Die Bildung von Nebenprodukten stellt ein zentrales Argument gegen die Ozonierung dar. Im Rahmen der Pilotversuche wurden drei Mutagenitätstests für unterschiedliche trophische Niveaus durchgeführt und es kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Behandlung von Kläranlagenablauf mit Ozon zu keinem Anstieg des gentoxischen Potentials führte.

Mittels konventioneller Kurzzeit-Ökotoxizitätstests konnten keine negativen Auswirkungen der Ozonierung auf die Testorganismen festgestellt werden. Die endokrine Wirksamkeit von Kläranlagenablauf wurde durch die Behandlung mit Ozon verringert (die östrogene und weniger ausgeprägt auch die androgene Wirkung). Während des 21-Tage Fischtests zur Untersuchung der endokrinen Wirkung wurden keine negativen Auswirkungen der untersuchten Proben auf Medaka Fische festgestellt. Histologisch und immunhistochemisch konnten weder östrogen noch androgen induzierte Veränderungen von Leber und Gonaden der exponierten Fische nachgewiesen werden.

Hinsichtlich der untersuchten hygienischen Parameter kann festgestellt werden, dass die Viren am empfindlichsten gegenüber Ozon reagierten, gefolgt von den natürlich vorhandenen Escherichia coli und Enterokokken. Durch die Ozonierung erfolgte für jene Parameter, die in der EU-Badegewässerrichtlinie geregelt sind, eine Reduktion bis unterhalb der dort für den guten Zustand ausgewiesenen Werte. Die Inaktivierung aerober Sporen (Bacillus subtilis), die als Modelle für Dauerformen von Bakterien (Cysten) und Oocysten stehen, war vernachlässigbar.

Bei einer spezifischen Ozonzehrung von 0,6 bis 0,7 g O₃ g^-1 DOC, d. h. im Bereich, der für die praktische Anwendung als sinnvoll erachtet wird, kam es im Ablauf der Pilotanlage im Mittel zu einer BSB₅-Erhöhung um 15%. Eine derartige Erhöhung des BSB₅ im Ablauf einer Kläranlage stellt nur ein Problem dar, wenn der Ablaufwert nahe dem Grenzwert liegt, was bei der Reinigungsleistung von Kläranlagen, die nach dem Stand der Technik betrieben werden, i. d. R. nicht zutrifft.

Die durch Huminstoffe geprägte gelbliche Eigenfärbung von Kläranlagenablauf konnte durch die Behandlung mit Ozon deutlich reduziert werden.

Hinsichtlich der Steuerung und Regelung der Ozonanlage konnten mit Hilfe von UV/Vis-Onlinespektrometrie geeignete matrixspezifische PLS-Korrelationsmodelle für den Steuerparameter TOC im Zulauf der Ozonung, sowie den Regelparameter O₃ im Ablauf der Anlage entwickelt werden.

Die Betriebskosten einer Ozonierung (0,7 g O₃ g^-1 DOC) wurden für eine Modellkläranlage mit 150.000 EW und unterschiedliche DOC-Ablaufkonzentrationen (6, 8 und 10 mg L^-1 DOC) berechnet. Es ergaben sich 0,3 bis 0,5 € EW^-1 a^-1 (0,4-0,7 cent m^-3), was bei Betriebskosten von 13,7 € EW^-1 a^-1 (Median aus dem österreichischen Abwasserbenchmarking) weniger als 5% der Betriebskosten einer Kläranlage > 100.000 EW beträgt.

Die Ozonierung von Kläranlagenablauf erwies sich in den durchgeführten Pilotversuchen als vielversprechende Technologie zur Behandlung von nach dem Stand der Technik gereinigtem Kläranlagenablauf.

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