Abwasserbehandlung
Effiziente Mikroplastikentnahme im Straßenabwasser

17.12.2019 Die Behandlung von Straßenabwasser rückt in den Fokus. Durch die Entfernung abfiltrierbarer Stoffe, also auch Mikroplastik, kommt es zu einer deutlichen Entlastung der Kläranlagen und damit der Gewässer.

Bild 1 Straßenabwasser-Behandlungsanlage Gäbelbach, 60 m2 Polstoffscheibenfilter im Betrieb
© Foto: Mecana
Bild 1 Straßenabwasser-Behandlungsanlage Gäbelbach, 60 m2 Polstoffscheibenfilter im Betrieb
Mit der aktuellen Thematik Mikroplastik und der Tatsache, dass es sich bei Reifenabrieb eben auch um Mikroplastik handelt, rückt die Behandlung von Straßenabwasser wieder in den Fokus. In der Schweiz werden seit einigen Jahren Straßenabwasser-Behandlungsanlagen (SABA) gebaut. Das Augenmerk lag auf der Entnahme abfiltrierbarer Stoffe (AFS) und damit dem feststoffgebundenen Kupfer, Zink und DOC. Bei einem angestrebten Wirkungsgrad von 80 % für die Entnahme von AFS kann so eine deutliche Entlastung der Gewässer erreicht werden.

Aktuelle Straßenabwasser-Behandlungsanlagen (SABA) mit Polstofffiltern

  • SABA Rotewald. Diese Anlage ist momentan im Bau und geht nächstes Jahr in Betrieb. Anfangs sind 15 m2 Filterfläche verbaut, die später etappenweise bis 60 m2 erweitert wird.
  • SABA Büron, 1 x 20 m²-Scheibenfilter, Mikrofaser-Polstoff
  • SABA Wyhlerholz, 1 x 60 m² Scheibenfilter, Mikrofaser-Polstoff
  • SABA Gäbelbach, 1 x 60 m² Scheibenfilter, Mikrofaser-Polstoff
  • SABA Pfaffensteig, 1 x 30 m² Scheibenfilter, Mikrofaser-Polstoff

Alle genannten Standorte liegen in der Schweiz.

Prozessablauf bei der Tuchfiltration

Bei Mecana-Tuchfiltern ist die gesamte Filterfläche getaucht und steht somit auch komplett für den Filtrationsprozess zur Verfügung. Tuchfilter mit Filterflächen ab 10 m² werden als Scheibenkonstruktion ausgeführt, bei der bis zu 27 Scheiben mit je 5 m² Filterfläche auf einer Zentralwelle angeordnet werden. Das Abwasser wird in den Filterbehälter geführt, durchströmt die mit Polstoff bespannten Filterscheiben von außen nach innen und gelangt dann über das Zentralrohr und einen Steigschacht mit Überlaufwehr in den Ablauf. Mit zunehmender Feststoffbeladung steigen der hydraulische Widerstand und damit die Niveaudifferenz zwischen Roh- und Reinwasserspiegel. Bei einer Spiegeldifferenz von ca. 25 cm wird der Reinigungsvorgang ausgelöst. Die Filterscheiben werden langsam gedreht und über seitliche Absaugbalken werden die abgeschiedenen Feststoffe mit dem abgesaugten Filtrat entfernt. Die Dauer der Filtrationszyklen bzw. die Absaughäufigkeit variiert mit der Feststoffbelastung zwischen mehreren Stunden und wenigen Minuten. Der Filtrationsprozess wird während des Reinigungsvorganges nicht unterbrochen (kontinuierliches Filtrationsverfahren).
Bild 2 3D-Filtermedien mit Tiefenwirkung, ca. 4 mm stark, vergleichbar einem Pelz (Webpelz). Je nach Anwendung stehen spezielle OptiFiber Polstofftypen zur Verfügung. © Foto: Mecana
Bild 2 3D-Filtermedien mit Tiefenwirkung, ca. 4 mm stark, vergleichbar einem Pelz (Webpelz). Je nach Anwendung stehen spezielle OptiFiber Polstofftypen zur Verfügung.

Filtrationsmechanismen

Die Schwebstoffentnahme beruht bei Verwendung textiler Filtermedien einerseits auf der rein physikalischen Siebwirkung, d. h. hauptsächlich werden Partikel zurückgehalten, die größer als die Porenöffnungen des Filtermediums sind. Durch Anlagerung einer Partikelschicht, ähnlich einem Anschwemmfilter (Kuchenfilter), werden auch Partikel kleiner als die Öffnungsweite zurückgehalten, so dass sich eine gewisse Filterwirkung einstellt. Weiterhin muss davon ausgegangen werden, dass ein weiterer Teil der Partikel in der Tiefe des Filtertuches (ca. 4 bis 5 mm, nominelle Porenweite ca. 5 µm bei Mikrofasermaterial  Mecana OpiFiber PES14*) aufgefangen wird, folglich auch eine wichtige Raumwirkung vorhanden ist.

Der jeweilige Anteil der bei der Tuchfiltration gleichzeitig wirksam werdenden Mechanismen Siebung, Kuchenfiltration und Raumfiltration wird maßgeblich bestimmt durch die Konzentration und die Filtrationseigenschaften der Feststoffe sowie durch das eingesetzte Filtertuch.
Bild 3 AFS-Entnahme auf der Kläranlage Berlin-Ruhleben mit dem Mikrofasertuch PES14 © Foto: Mecana
Bild 3 AFS-Entnahme auf der Kläranlage Berlin-Ruhleben mit dem Mikrofasertuch PES14

Bild 4 Mikroplastikentfernung mit einem Polstofffilter auf der Kläranlage Oldenburg © Foto: Alfred Wegener Institut
Bild 4 Mikroplastikentfernung mit einem Polstofffilter auf der Kläranlage Oldenburg

Mikroplastik im Straßenabwasser

Die Thematik mit der Mikroplastik im Straßenabwasser ist auch für die Schweiz relativ neu und wird jetzt auch hier in verschiedenen Forschungsprojekten untersucht. Kürzlich haben das Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich (AWEL 2016) /1/ und später die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) Ergebnisse zu Mikroplastik in Abwasser und Gewässer /2/ veröffentlicht. Reifenabrieb wurde bei den Untersuchungen aber nicht mit einbezogen. Die Autoren halten aber fest, dass der Reifenabrieb die Hauptquelle von Mikroplastik ist. Bei einer früheren Studie von der Empa /3/ gelangt davon jährlich rund 12.000 Tonnen in die Umwelt.

Im Forschungsprojekt OEMP – Entfernung von Mikroplastik aus dem Wasserkreislauf, wurde ein Polstofffilter von der Mecana Umwelttechnik GmbH eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in /4/ zusammengefasst. Aufgrund der sehr aufwändigen Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik konnten nur recht wenig Daten direkt zu Mikroplastik ermittelt werden. Die Leistung der untersuchten Systeme Polstofffiltration und Mikrosieb müssen daher im Wesentlichen anhand der Entnahmewirkung für die AFS beurteilt werden.

In Bild 3 ist gut ersichtlich, dass trotz Schwankungen der Zulaufkonzentration eine stabile Feststoffabscheidung erzielt wird. Im Vergleich mit einem 6 µm Mikrosieb ist die Ablaufqualität bis zu 35 % besser. Weiter wurde die Reduktion der Partikelgröße analysiert. Partikel > 10 µm wurden beinahe vollständig zurückgehalten /4/.

Gemäß einer Studie des Alfred-Wegener-Instituts können mit der Polstoffschlussfiltration im Oldenburger Klärwerk 97 % der Plastikpartikel zurückgehalten werden /5/. Hier ist anzumerken, dass auf der Kläranlage Oldenburg nur der etwas gröbere Standard-Polstofffilter  Mecana OptiFiber PES13* (Porengröße nominell 10 µm) eingesetzt wird. Mit dem im Straßenabwasser eingesetzten Mikrofasermaterial wird also eine noch größere Entnahmewirkung zu erwarten sein.

Zusammenfassung und Ausblick

Bei der ersten Anlage zur Straßenabwasserreinigung ist auch nach nun fast neun Jahren Betrieb noch keine Intensivreinigung erforderlich. Die Betriebszeit, bis ein Austausch der Polstofftücher erforderlich wird, liegt in nahezu allen Anwendungsbereichen bei über 4 Jahren. Übertragen auf die Situation bei Straßenabwasser (z. B. 400 h/a bei 110 Ereignissen) oder aber Mischwasser (ca. 50 h/a aufgeteilt auf ca. 30 Ereignisse) werden die Tücher um ein Vielfaches länger halten, als im kontinuierlichen Betrieb. Auch hinsichtlich der Investitionen ergeben sich deutliche Vorteile mit der Polstofftechnologie, da aufgrund der hohen Belastbarkeit weniger Filterfläche erforderlich ist. Insbesondere im Hinblick auf die Erweiterung von Kläranlagen mit Platzproblemen oder eben auch beim Thema Mischwasser- und Straßenabwasserbehandlung dürfte der geringe Grundflächenbedarf von Tuchfiltern (bis zu 5 m² Filterfläche/m² Grundfläche) einen entscheidenden Vorteil bieten. Hinzu kommt, dass aufgrund des geringen Gefälleverlustes über die Maschinen (maximal 50 cm) in den meisten Fällen keine Förderung des Abwassers erforderlich ist und Energie eingespart werden kann.

Entscheidende Fragen bei der Wahl eines adäquaten Filtrationssystems für den Bereich Mischwasser- bzw. Straßenabwasser sind: Kann die angestrebte Abscheidewirkung erzielt werden? Lässt sich das System auf kleinem Raum realisieren? Ist ein problemloser Stop-and-Go Betrieb möglich? Ist das System robust, auch gegen Grobstoffe? Kann das Filtersystem mit geringem Wartungsaufwand betrieben werden? Für die Mecana-Polstofffiltration können diese Fragen eindeutig mit ja beantworten werden.

Die Betreiber der fünf gebauten Straßenabwasser-Behandlungsanlagen (SABA) sind zufrieden und bestätigen, dass der Scheibenfilter robust und effektiv ist.

Mit den ersten Forschungsdaten im Bereich Mikro- und Makroplastik ist ersichtlich, dass ein Großteil davon filtriert wird. Dies ist wenig verwunderlich, da das Mikrofasertuch PES14 (Produkte mit eingetragenem Markenzeichen) für die Elimination von Pulveraktivkohle schon seit Jahren erfolgreich im Betrieb ist und im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte untersucht und bestätigt wurde.

In den USA werden Mikrofaserbestückte Polstofffilter, die im Normalbetrieb hinter einer Kläranlage zur weitestgehenden Feststoffentnahme eingesetzt werden, bei zu hohem Regenwasserzufluss auf den Mischwasser-Bypass umgeschaltet und zur rein mechanischen Filtration dieses Emissionspfades eingesetzt. In der Gesamtbilanz kann der Vorfluter damit erheblich entlastet werden, natürlich auch vom Mikroplastik und Reifenabrieb. Ein sehr interessantes Konzept, vielleicht ja auch für Ballungsräume in Europa.

Literatur

/1/    Cabernard, L.; Durisch-Kaiser, E.*; Vogel, J.-C.; Rensch, D.; Niederhauser, P.: AWEL Gewässerschutz, Mikroplastik in Abwasser und Gewässer, Aqua & Gas N 7/8, 2016
/2/    Adam, V.; Yang, T.; Nowack, B.: Toward an ecotoxicological risk assessment of microplastics: Comparison of available hazard and exposure data in freshwaters, Environmental Toxicology and Chemistry, 2018
/3/    2015: (https://www.srf.ch/sendungen/kassensturz-espresso/services/interaktiv/ espresso-aha/12-000-tonnen-pneu-teilchen-auf-schweizer-strassen
/4/    Venghaus, D.; Lau, Ph.: Optimierte Materialien und Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Wasserkreislauf, 2018
/5/    Mintenig, S. 2014: Mikroplastik in ausgewählten Kläranlagen des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbands (OOWV) in Niedersachsen, Abschlussbericht, OOWV/AWI

Ein Beitrag von BSc FH Andreas Schätti, Mecana Umwelttechnik GmbH
a.schaetti[at]mecana.ch
www.mecana.ch

Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 11-12/2019

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