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Abwasserreinigung Mit Aktivkohlen aus der Trinkwasseraufbereitung Spurenstoffe aus Abwässern entfernen

Autor / Redakteur: Anja Rohn, Dr. Andreas Nahrstedt, Dr. Mathias Schöpel, Ronald Roepke / Dr. Jörg Kempf

Kann die nur mäßig beladene Aktivkohle aus der Trinkwasseraufbereitung kostengünstig so konditioniert werden, dass sie in der Kläranlage weiter verwendbar ist? Im Rahmen des Projektes „Reaktiv“ haben das IWW Zentrum Wasser, die RWW Rheinisch-Westfälische Wasserwerksgesellschaft, der Emschergenossenschaft-Lippeverband und der Ruhrverband dies untersucht.

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Aktivkohle in pulverisierter und körniger Form
Aktivkohle in pulverisierter und körniger Form
(Bild: IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser)

Der Einsatz von Aktivkohle (AK) in Wasserwerken erfolgt in Deutschland überwiegend in granulierter Form (GAK) in so genannten Festbettfiltern. Ist die maximale Aufnahmekapazität der AK gegenüber den zu entfernenden Störstoffen erreicht, wird sie normalerweise in einem energieintensiven Prozess reaktiviert und erneut in den Wasserwerks-Filtern verwendet.

In Kläranlagen wird AK bisher überwiegend in pulverisierter Form (Pulveraktivkohle – PAK) als zusätzliche vierte Reinigungsstufe eingesetzt. Die Beladung der AK im Wasserwerk ist aufgrund des deutlich niedrigeren Konzentrationsniveaus an Spurenstoffen und organischem Hintergrund (DOC – Dissolved Organic Carbon, gelöster organischer Kohlenstoff) im Vergleich zu einer Beladung bei der Abwasseraufbereitung nur gering, da die maximal erzielbare Beladung konzentrationsabhängig ist. Die potenziell nutzbare Adsorptionskapazität der GAK in Wasserwerken wird somit bei weitem nicht ausgeschöpft.

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Gemahlene Wasserwerkskohle vs. frische Pulveraktivkohle

Für eine Weiterverwendung in der Abwasserreinigung muss die GAK in einem Mahlprozess zu PAK aufbereitet werden. Die grundsätzliche Eignung von GAK zur Weiterverwendung als PAK wurde zunächst in Laborversuchen nachgewiesen. Bei Einsatz einer Re-Agglomerat-GAK auf Steinkohlebasis konnte bereits nach kurzer Mahldauer die gewünschte und auf Kläranlagen übliche PAK-Feinheit erreicht werden (siehe Bildergalerie, Bild 1). Gewählt wurde ein Nassmahlverfahren. Vorteil: Kosten für die Trocknung entfallen. Darüber hinaus würde eine Trockenmahlung wegen der starken Staubentwicklung und Aufheizung zusätzliche Schutzmaßnahmen erfordern. Trocken auf Kläranlagen angelieferte PAK muss zudem vor der Dosierung aufwändig benetzt und suspendiert werden.

Die Ergebnisse von Adsorptions-Isothermen haben gezeigt, dass sich die Eliminationsleistung der gemahlenen GAK gegenüber ausgewählten Spurenstoffen nicht signifikant von handelsüblicher PAK unterscheidet (Bild 2). Eine Desorption von Substanzen, die im Wasserwerk von der AK adsorbiert wurden, konnte für die praxisüblichen spezifischen PAK-Dosiermengen nicht nachgewiesen werden.

Demonstration im großtechnischen Einsatz

Um die positiven Ergebnisse aus den Laboruntersuchungen für die Praxis nutzbar zu machen, wurde zunächst ein Logistik-Konzept für den neuen Nutzungsweg der AK entwickelt: Ausbau der AK aus den Wasserwerksfiltern und Transport zum Mühlenstandort, Mahlprozess, Zwischenlagerung der GAK und der gemahlenen PAK-Suspension, Transport der PAK-Suspension, Dosierung auf der Kläranlage.

Die Praktikabilität des Konzeptes im Rahmen der bestehenden Strukturen und Anlagen von Wasserwerken und Kläranlagen wurde großtechnisch demonstriert. Es erfolgte eine Dosierung der PAK-Suspension über einen Zeitraum von jeweils vier Wochen auf zwei Kläranlagen. Die Spurenstoffelimination der aufgemahlenen Wasserwerks-GAK ist auch unter großtechnischen Bedingungen mit einer auf Kläranlagen etablierten frischen PAK vergleichbar (Bild 3).

Hinsichtlich schwer adsorbierbarer Substanzen, z.B. verschiedener Röntgenkontrastmittel, zeigte die vorbeladene Wasserwerks-AK tendenziell eine leicht schlechtere Aufnahmekapazität. Grund dafür könnte aber auch sein, dass die AK-Behandlung ohnehin kein sehr effektives Verfahren zur Elimination dieser Substanzen ist. Eine grundsätzlich immer bestehende Option, die Elimination der PAK noch zu verbessern, bestünde in einer Erhöhung der spezifischen PAK-Dosis.

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Effizienzanalyse stellt Wirtschaftlichkeit auf Prüfstand

Für den neuen Nutzungsweg von AK wurde eine Effizienzanalyse im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit, ökologische Auswirkungen und weitere nicht direkt quantifizierbare Kriterien (logistischer Aufwand, Entwicklung eines Geschäftsfeldes) durchgeführt. Die wesentlichen Kostenbestandteile sind: Investitions- und Instandhaltungskosten für den Mahlprozess und die Kohle-Lagerung, Energie- und Personalkosten der Mahlung, Kosten für Einkauf von GAK bzw. PAK, Transportkosten. Bei der Analyse wurden auch die verschiedenen möglichen Standorte für die Durchführung des Mahlprozesses – Dienstleister, Wasserwerk, Kläranlage – berücksichtigt. Die entscheidenden Kostenfaktoren sind die Frischkohle, mit der die abgegebene AK in Wasserwerken ersetzt werden muss, und die Investitionskosten für die Mahlanlage.

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Das Ergebnis: Der beschriebene Nutzungsweg der AK stellt sich dann wirtschaftlich dar, wenn die Mahlanlage ausgelastet ist oder bei Verwendung von AK, die in Wasserwerken nicht mehr benötigt wird und somit nicht durch Frischkohle ersetzt werden muss. Inwieweit das entwickelte Logistik-Konzept tatsächlich wirtschaftlich ist, hängt zudem von den konkreten Voraussetzungen aller beteiligten Unternehmen ab. Preise unterliegen immer einem Verhandlungsspielraum, aber auch Personal- und Energiekosten können sehr unterschiedlich ausfallen. Gute Chancen für wirtschaftliche Vorteile werden gesehen, wenn sich mehrere Wasserwerke und Kläranlagen für die Umsetzung des entwickelten Konzeptes zusammen-schließen. Dies wäre auch vor dem Hintergrund sinnvoll, dass eine ständige Verfügbarkeit der PAK auf den Kläranlagen gewährleistet werden muss, denn verfügbare AK-Mengen und deren Ausbau-Frequenz aus Wasserwerksfiltern sind sehr unterschiedlich.

Ein konkretes Beispiel zum Schluss: Nimmt man an, dass alle 69 Kläranlagen des Ruhrverbandes mit einer Gesamt-Ausbaugröße von 3 266 000 EW (2011) eine PAK-Behandlung nachrüsten würden, hätte das einen PAK-Bedarf von rund 7200 t/a zur Folge (bei einer Dosierung von 10 mg/l). Diesem Bedarf steht in den Wasserwerken an der Ruhr eine AK-Menge von 2500 t/a (Abschätzung RWW, 2010) gegenüber, die theoretisch zur Weiterverwendung auf Kläranlagen genutzt werden könnte. Mit dieser AK-Menge könnte man somit ca. ein Drittel der Kläranlagen des Ruhrverbandes versorgen.

* A. Rohn und A. Nahrstedt, IWW Zentrum Wasser; M. Schöpel und R. Roepke, RWW Rheinisch-Westfälische Wasserwerksgesellschaft mbH.

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