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BSH Pulveraktivkohle(PAK)- Filtrationsanlage zur Elimination von Mikroverunreinigungen

Ausgangslage
Der Eintrag von organischen Spurenstoffen über die Siedlungsentwässerung stellt eine neue Herausforderung für den Gewässerschutz dar. Das am 1. Januar 2016 in Kraft gesetzte revidierte Gewässerschutzgesetz (GSchG) sowie die zugehörige Verordnung (GSchV) geben für die festgelegten Anlagen zum Einbau einer neuen Reinigungsstufe zur Elimination von Mikroverunreinigungen eine Übergangsfrist bis ins Jahr 2040 vor. Bei diesen organischen Spurenstoffen handelt es sich um Rückstände aus Anwendungen des täglichen Lebens wie beispielsweise Körperpflegeprodukte, Medikamente, Reinigungsmittel, Biozide aber auch Kontrastmittel aus Spitälern, Unkraut und andere hormonaktive Substanzen. Diese Stoffe sind schwer abbaubar und werden in sehr tiefen Konzentrationen (Nano- bis Mikrogramm pro Liter) in Gewässern nachgewiesen und werden daher als Mikroverunreinigung bezeichnet. Einige dieser Stoffe können auch in sehr tiefen Konzentrationen nachteilige Wirkungen auf das aquatische Ökosystem haben. Ein Beispiel sind die hormonaktiven Stoffe, die z.B. bei Fischen Geschlechtsveränderungen hervorrufen können. Diese Stoffe sollen künftig auf ausgewählten Kläranlagen entfernt werden.

Funktionsprinzip
Ein etabliertes Verfahren für die Elimination der Mikroverunreinigung ist das Adsorbieren der Spurenstoffe an Pulveraktivkohle. Auch im BSH-PAK-Filtrationssystem wird Pulveraktivkohle eingesetzt mit dem Unterschied, dass die beladene Pulveraktivkohle nicht in einem grossen Sedimentationsbecken vom Abwasser getrennt wird, sondern mit Hilfe von Kerzenfiltern eine Totalfiltration des gesamten Abwassers vorgenommen wird. Mit diesem System werden sehr tiefe GUS-Werte < 1 mg/l im Ablauf erreicht und zugleich die Verunreinigungen durch Mikroplastik reduziert.
Ein Standard-Filtrationsmodul hat einen Durchsatz von 55 l/s oder 195 m3 /h.
5 Module können dann 275 l/s oder 975 m3/h behandeln.

Um eine hohe Ausnutzung der Aktivkohle zu erlangen, bedarf es möglichst langer Kontaktzeiten zwischen dem Abwasser und dem Adsorbenten (ta > 1h). Dies ist aufgrund der hierfür notwendigen grossen Beckenvolumina nicht überall zu realisieren. Daher wird nach dem Kontakt der Aktivkohle mit dem zu behandelnden Abwasser die Kohle abgetrennt und zur weiteren Beladung wieder in das Adsorptionsbecken zurückgeführt. Dies führt zu einer Aufkonzentrierung der Aktivkohle im System, so dass im Adsorptionsbecken üblicherweise mehr als 1 g/L Pulveraktivkohle zur Reinigung des Abwassers zur Verfügung stehen.  Bei der BSH PAK-Filtration werden keine Chemikalien wie Flockungshilfsmittel oder Fällmittel eingesetzt. Das BSH-PAK-Filtrationssystem sieht vor, die Pulveraktivkohle mittels der bewährten Kerzenfiltertechnologie abzutrennen. Abbildung 1 zeigt das Verfahrensfliessschema. In Müllverbrennungsanlagen werden Kerzenfilter schon über 20 Jahre zur Filtration von Pulver-Aktivkohle und Hydroxidschlämmen eingesetzt. Die Pulver-Aktivkohle wird dem zu reinigenden Abwasser vor dem Adsorptionsbecken zugegeben, anschliessend entsprechend der erforderlichen Kontaktzeit im selbigem gerührt und von dort aus mittels einer Pumpe dem Kerzenfilter zugeführt. Beim Filtrationsprozess lagert sich die Aktivkohle aussen auf den Filtertüchern der Filterkerzen an, das Abwasser hingegen passiert die Filtertücher und fliesst feststofffrei aus der Filterkerze heraus. Zur Abreinigung der Filtertücher bedarf es einer Unterbrechung des Filtrationsprozesses. Der gebildete Filterkuchen wird von der Filterkerzen-
innenseite mit Luft und Wasser vom Filtertuch abgesprengt und sedimentiert in den Filterkonus. Dieser eingedickte Pulveraktivkohleschlamm wird in einer nachgeschalteten Hydrozyklonstufe vom Feinstanteil der Pulveraktivkohle und der Organik befreit und gelangt zur weiteren Beladung wieder in das Adsorptionsbecken. Die Entnahme der überschüssigen Aktivkohle aus dem System erfolgt durch Ausschleusung einer Teilmenge des sedimentierten Filterkuchens in die biologische Stufe.

Verfahrensschema BSH-PAK-Filtrationssystem

Beschreibung PAK-Filtration
Adsorptionsstufe
Hierzu wird die Pulveraktivkohle zunächst dem biologisch gereinigten Abwasser im Zulauf zum Adsorptionsbecken zugegeben und ca. 1 Stunde mit dem Abwasser in Kontakt gebracht. Der in den Kerzenfilter abgetrennte «Kohleschlamm» wird zur besseren Ausnutzung der Aktivkohle wieder als «Rücklaufkohle» in die Adsorptionsstufe zurückgeführt. Während die Aufenthaltszeit des Abwassers in der Adsorptionsstufe etwa 60 Minuten beträgt, verbleibt die Pulveraktivkohle durch die ständige Kreislaufführung vier und mehr Tage im System.

Pulveraktivkohle-Dosierung
Die Pulveraktivkohle wird nach der Nachklärung in die Zulaufleitung zur Adsorptionsstufe zugegeben. Die in einem Silo gelagerte Pulveraktivkohle wird über eine Dosieranlage je nach Bedarf, mengenmässig dem geklärten Abwasser zugegeben. Nach längeren Pilotversuchen in Mannheim und auf der Kläranlage Triengen konnten mit einer Menge von 10mg/l Pulveraktivkohle zuverlässig über 80% der Spurenstoffe eliminiert werden. Eine weitere Elimination ist zu erwarten, wenn die teilbeladene Pulveraktivkohle in die Biologie rückgeführt wird.

Filtrationshilfsmittel-Dosierung
Um die Feststoffe in der anschliessenden Kerzenfiltereinheit effizient abzutrennen, muss dem Abwasser zusätzlich ein inertes Filtrationshilfsmittel zugegeben werden. Versuche haben gezeigt, dass mit einer zu dosierten Menge von 5 - 10mg/l Filtrationshilfsmittel eine konstante und sehr gute Filtrationsleistung von mindestens 1.5 m3 Abwasser/m2 Filterfläche und Stunde erreicht wird. Damit erreicht jedes Modul einen Durchsatz von 55 l/s oder 195 m3/h.
Neben diesem inertem Medium sind keine zusätzlichen Chemikalien wie Flockungshilfsmittel oder Fällmittel notwendig.

Kerzenfilter
Die Anwendung von Pulveraktivkohle bedingt in allen Verfahrensvarianten eine Feinstabtrennung der beladenen Kohlepartikel damit sie nicht in das Gewässer gelangen. Auch bei einem Verfahren, in dem die Aktivkohle mit Hilfe von Sedimentation vom Abwasser getrennt wird, ist eine Filtration notwendig.
Mit der BSH-PAK-Filtrationseinheit ist eine zusätzliche Sedimentation/Filtration nicht nötig, da es sich bei diesem Verfahren schon um eine Totalfiltration des Abwassers handelt. Die erzielten GUS-Werte in den Pilotversuchen liegen deutlich unter 1mg/l.  Um den Energieeinsatz bei der Kerzenfiltration möglichst gering zu halten, wird mit maximal 2 bar Filtrationsdruck gefahren.
Um die Filtertücher in den Kerzenfiltern von der Aktivkohle zu befreien, werden die Tücher von innen mit Druckluft beaufschlagt. Mit diesem «Abreinigen» der Filtertücher werden die Tücher von der anhaftenden Aktivkohle und Organik befreit und gewähren eine konstante Durchsatzleistung zu fahren.

Zyklon
Um eine konstante Filtrationsleistung zu erreichen wird die Rücklaufkohle mit Hilfe eines Hydrozyklons von den bereits grösstenteils beladenen Feinst Partikeln befreit. Somit gelangen nur noch gröbere nicht vollends beladene Aktivkohlepartikel zurück in die Adsorptionsstufe. Die Beladungskapazität der Aktivkohle hängt sehr stark mit der Konzentration der zu adsorbierenden Spurenstoffe zusammen. Somit kann die bereits beladene Aktivkohle aus dem Adsorptionsbecken in der biologischen Stufe, in welcher die Konzentration der Spurenstoffe um einiges höher liegt, weiter Spurenstoffe adsorbieren.

Steuerung
Das ganze BSH-PAK-Filtrationssystem wird mit Messgeräten so ausgerüstet, dass es mit einer Steuerung (z.B. Siemens) automatisch gefahren und überwacht werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, das ganze System in ein bestehendes Prozessleitsystem zu integrieren. Mit dieser Steuerung ist ein zuverlässiger und sicherer Betrieb der Anlage mit wenig Personalaufwand immer gewährleistet.

Spurenstoffmessungen
Mehrere unabhängige Spurenstoffmessungen auf unserer Pilotanlage im Klärwerk Mannheim und der ARA Surental in Triengen haben ergeben, dass eine Elimination von > 80% der Spurenstoffe bezogen auf Rohabwasser mit einem Einsatz von 10 mg Pulveraktivkohle pro Liter Abwasser zuverlässig erreicht werden kann.
Tabelle 1: Ergebnisse Spurenstoffmessung vom 02.12.2015 – 03.12.2015 (Analyse, Envilab Zofingen)
Mittlerer Reinigungseffekt gegenüber Ablauf VKB 86%
Eliminationsraten BSH-PAK-Anlage: Ablauf VKB zu Ablauf Filter

Berechnungen
Durchsatzleistungen
Ein zentrales Element des BSH-PAK-Filtersystems sind die Kerzenfilter.
Jedes einzelne Kerzenfiltermodul verfügt über 194 Filterkerzen.
Damit ist eine Durchsatzleistung von 195 m3/h oder 55 l/s pro Kerzenfilter möglich.
Die Grösse des Adsorptionsbeckens hängt, gleich wie bei einer biologischen Stufe, von der Zulaufmenge der Anlage ab. Da die Verweilzeit des Abwassers im Adsorptionsbecken ca. eine Stunde beträgt, ist das Volumen des Adsorptionsbeckens gleich gross wie die Zulaufmenge pro Stunde.
Als Zulaufmenge wird die in der biologischen Stufe zu verarbeitende Menge eingesetzt.

Betriebskosten
Betriebskosten pro Kubikmeter Abwasser für eine Abwassermenge von 5 Mio. Kubikmeter pro Jahr und einer Anlage mit 4 Modulen:
Pulveraktivkohle:     2 Rp/m3
Filtrationsmittel:     1 Rp/m3
Strom:     1.8 Rp/m3
Entsorgung PAK
und Filtrationsmittel:    0.8 Rp/m3
Wartung/Instandhaltung:    1.2 Rp/m3
Personalaufwand:    0.6 Rp/m3
Total Betriebskosten:    7.4 Rp/m3

Investitionskosten
Die Investitionskosten liegen bei 8 Rp. / m3 / Jahr
bei einer Anlage welche 975 m3 in der Stunde leistet und  auf  20  Jahren abgeschrieben wird.

Davon werden 75% vom
Bundesamt für Umwelt
getragen, welcher dazu ein
Fonds von 1.2 Milliarden zur Verfügung hat.

 

BSH Umweltservice AG
Allmendstrasse 6
6210 Sursee
Tel. 041 925 70 25
www.bsh.ch

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