Modernisierungsreport 2019/2020
Elimination von Mikroschadstoffen

04.12.2019 Die zunehmende Belastung unserer Gewässer durch Mikroverunreinigungen aus Medikamenten, Reinigungs- oder Körperpfl egemitteln im Abwasser ist ein wachsendes Problem für Mensch und Tier.

Bild 1 Abwasserreinigungsanlage Thunersee in der Schweiz
© Foto: Invent
Bild 1 Abwasserreinigungsanlage Thunersee in der Schweiz
Die Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik AG widmet sich der Entwicklung und der Anwendung leistungsfähiger und energieeffizienter Technologien für die Wasser- und Abwasserreinigung weltweit. Invent gewann in den 1990er Jahren mit der Entwicklung ihres Benchmark-Produktes, dem Hyperclassic*-Rührwerk, an Bekanntheit und konnte sich mit diesem strömungsmechanisch optimierten Produkt im Markt erfolgreich etablieren. Seitdem entwickelt Invent regelmäßig innovative Produkte zur Wasser- und Abwasserreinigung in den Bereichen Rühren, Belüften und Fest-Flüssig-Trennung. Außerdem werden Services wie der später noch genannte Simulationsservice mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) angeboten.

Exkurs zur vierten Reinigungsstufe

Durch den unvollständigen Metabolismus von Arzneimitteln und die unsachgemäße Entsorgung von Körperpflegemitteln und Chemikalien gelangen immer größere Mengen an Mikroverunreinigungen in das zu reinigende Abwasser. Herkömmliche dreistufige Abwasserreinigungsanlagen (ARA) mit mechanischer, biologischer und chemischer Reinigungsstufe sind nicht dafür ausgelegt, um diese Mikroverunreinigungen zu entfernen. Wenn nicht durch Maßnahmen an der Quelle, also Vermeidung bzw. Verhaltensänderung, dafür gesorgt werden kann, dass diese Stoffe gar nicht erst in das Abwasser gelangen, bedarf es hierfür eines Ausbaus der vorhandenen Kläranlage in Form einer vierten Reinigungsstufe. Dieser Ausbau geht in Regionen wie Baden-Württemberg, Nordrhein-Westfalen und der Schweiz seit vielen Jahren voran.

Bei der vierten Reinigungsstufe sind bisher zwei verschiedene Verfahrensarten etabliert: Ozonung mit dem Ziel der Oxidation von Spurenstoffen oder die Verwendung von Aktivkohle mit dem Ziel der Adsorption der Verunreinigungen.

Optimierung der Prozesse

Für die Elimination von Mikroschadstoffen mit Hilfe des Invent Hyperclassic-Rührwerks, steht die Verfahrensvariante mit Pulveraktivkohle (PAK) im Fokus. Dieses wird beispielsweise in der ARA Thunersee (Schweiz) mit dem sogenannten Ulmer Verfahren seit 2018 angewandt. Hierbei wird die PAK in einem nachgeschalteten Kontaktreaktor dem gereinigten Abwasser aus der Nachklärung zugegeben und eingemischt. Durch Zugabe von Fällmitteln und Flockungshilfsmitteln werden wiederum PAK-Flocken gebildet, die im Nachgang abgeschieden werden können. Die Effektivität des Prozesses ist abhängig vom Kontaktreaktordesign und der eingesetzten Rührtechnik. Eine Optimierung der einzelnen Stufen ermöglicht dem Anlagenbetreiber einen sicheren und effi zienten Betrieb, sowohl in Bezug auf Energie- als auch Chemikalieneinsatz. Invent bietet hierzu mit einer eigenen Dienstleistung, der Think Fluid Dynamix*, den Service an, die optimale Positionierung aller Zuläufe, der Dosierstellen und Rührwerke zu bestimmen, um dadurch größtmögliche Durchmischung und stabile Flockenbildung mit minimalem Energieeintrag zu erreichen. Mit dem Hyperclassic-Rührwerk wird außerdem die optimale Technik zur  Durchmischung eines Kontaktreaktors angeboten. Durch die bodennahe Positionierung des Hyperboloid-Rührkörpers, werden radial hohe Sohlgeschwindigkeiten zur effizienten Suspension erzeugt. Die gleichzeitig hohe Pumpleistung des Rührwerks ermöglicht eine intensive Großraumströmung zur schnellen Homogenisierung des Reaktorinhalts. Das Hyperclassic-Rührwerk ist außerdem hervorragend zur Flockung geeignet, da die Beschleunigung der erzeugten Flocken entlang der großen Oberfläche des Hyperboloid-Rührkörpers schonend stattfindet. Die scherkraftarme und doch intensive Durchmischung erzeugt optimale Bedingungen für das Flockenwachstum, also auch den angestrebten Reinigungsprozess.

Die mikroschadstoffhaltigen Flocken können dann in der zusätzlich nachgeschalteten Sedimentation abgetrennt und wieder rezirkuliert werden. Gute Absetzeigenschaften der Flocken sind hierbei extrem wichtig, um Aktivkohleschlupf mit dem gereinigten Wasser zu vermeiden. Die beladene Aktivkohle wird am Ende des Prozesses mit dem Klärschlamm ausgeschleust und verbrannt.

Invent und ARA Thunersee seit 1996 ein Erfolg

Die kommunale Kläranlage Thunersee ist seit 1972 in Betrieb und klärt das Abwasser von rund 120.000 angeschlossenen Einwohnern. Von 1994 bis 1998 wurden im Zuge einer Erneuerung der Biologie und Schlammbehandlung zwölf Hyperclassic-Rührwerke der 4. Generation in den anoxen Beckenteilen zur Denitrifikation auf insgesamt vier Straßen verbaut. Diese laufen nun stetig seit über 20 Jahren, wartungsarm und energieeffi zient. Herausforderungen, wie verschiedene Betriebszustände und -anpassungen über die Jahre, konnten durch die gute Zusammenarbeit erfolgreich gemeistert werden.
Bild 2 Konstruktive Gestaltung des Invent Hyperclassic-Rührwerks © Foto: Invent
Bild 2 Konstruktive Gestaltung des Invent Hyperclassic-Rührwerks

Zum Ausbau der Anlage mit der vierten Reinigungsstufe stand Invent bei der Optimierung der 4-stufigen Kontaktreaktoren in der Planungsphase zur Seite. Durch den Service der Think Fluid Dynamix wurden auf Basis der Vorplanung folgende Fragestellungen beantwortet: Feststellung der optimalen Zuläufe, PAK-Suspension und Fäll- bzw. Flockungshilfsmittel im ersten und letzten Beckenteil, Feststellung von Verweilzeiten und Homogenisierungsgrad des Beckeninhalts. Für die Suspendierung des schwereren PAKSchlamms mit einem Schlammvolumenindex von 80 bis zu 40 ml/g, wird mehr Rührleistung benötigt als beispielsweise für eine einfache Denitrifikation. Zusätzlich sind die Anforderungen an Homogenisierung und Flockenwachstum eine Herausforderung für die eingesetzte Rührtechnik.

Seit der in der Belebung verbauten vierten Generation der Hyperclassic-Rührwerke 1996 wurde kontinuierlich an der Verbesserung des Benchmark-Produkts gearbeitet. So stand die siebte, vollkommen überarbeitete Version des Rührwerks als evolution 7 zur Anwendung in der vierten Reinigungsstufe der ARA Thunersee zur Verfügung. Mit dem Rührwerk evolution 7 wird effizient und scherkraftarm eine hohe Sohlgeschwindigkeit im Reaktor erzeugt und durch das optimierte Design der Transportrippen am Hyperboloidrührkörper die Homogenisierungsleistung gesteigert.
Bild 3 Die ARA Thunersee arbeitet erfolgreich mit Hyperclassic-Rührwerken der 4. und 7. Generation. © Foto: Invent
Bild 3 Die ARA Thunersee arbeitet erfolgreich mit Hyperclassic-Rührwerken der 4. und 7. Generation.

Seit Juli 2018 ist die ausgebaute Anlage in Betrieb und die positiven Ergebnisse zeigen, dass sowohl die vierte Reinigungsstufe im Ganzen betrachtet ein voller Erfolg ist, wie auch die von Invent strömungsmechanisch empfohlenen Platzierungen der Zuläufe und Rührwerke, richtig analysiert wurden. In dem offiziell veröffentlichten Bericht zu den Ergebnissen des ersten Betriebsjahrs der ARA werden die gewählten Ausführungen folgendermaßen beschrieben:

„Nach der Nachklärung der biologischen Stufe wird das Abwasser mit zwei Pumpwerken angehoben und in zwei Kontaktbecken mit 1.100 m3 Inhalt gefördert. Das Abwasser durchläuft vier mit Invent-Rührwerken ausgerüstete Zonen, wobei zwischen Zone 2 und 3 keine Trennwand besteht.“ Dieser Effekt der „virtuellen Wand“ zwischen zwei gegenläufi gen Hyperclassic-Rührwerken ist ein einzigartiger Effekt, der, bei gleichzeitig gutem Verweilzeitverhalten, Baukosten für eine Trennwand zwischen den Zonen einsparen kann. Weiter wird der Prozess in dem Bericht geschildert: „In die erste Zone wird die Pulveraktivkohlesuspension und eine Fe3+-Lösung dosiert. […] Ein anionisches Flockungshilfsmittel wird in der 4. gerührten Zone an der Beckensohle in der Nähe des Rührwerkes zugegeben. [Im Anschluss wird] in vier Absetzbecken mit je 1.944 m3 […] der PAK-Schlamm abgesetzt und mit Rücklaufschlammpumpen in die erste gerührte Zone der Kontaktbecken gefördert.“

Um die Effektivität der Anlage zu testen, wurden im ersten Jahr intensive Wasservergleichstests vor und nach der vierten Reinigungsstufe durchgeführt. Zweiundneunzig Prozent der 48-Stunden-Proben wiesen Eliminationsleistungen von 81 bis 95 % auf, wobei 80 % die geforderte Mindestleistung ist. Mit dem Firmenmotto „Wasser braucht Verantwortung“ widmet sich Invent mit großem Engagement dem Ziel der Entwicklung von zukunftsorientierten Technologien für die Wasser- und Abwasserreinigung. Dabei entstehen leistungsfähige Produkte, die in hohem Maße zur Erhaltung unserer Gewässergüte beitragen.

www.invent-uv.de

Beitrag aus wwt − wasserwirtschaft wassertechnik Modernisierungsreport 2019/20
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