Elimination von Phosphor mittels Flockungsfiltration und Erweiterung des Verfahrens zur parallelen Elimination von organischen Mikroschadstoffen in einem GAK-Filter
von Ursula TelgmannDer Eintrag von Phosphor aus Kläranlagen in Gewässer ist einer der Gründe, warum in Deutschland aktuell der „gute ökologische Zustand“ gemäß Europäischer Wasserrahmenrichtlinie (WRRL 2000) in vielen Flusseinzugsgebieten nicht erreicht wird. Im Ablauf zahlreicher kommunaler Anlagen werden deshalb zukünftig neue Anforderungen für Gesamt-Phosphor einzuhalten sein. Als zusätzliche Reinigungsstufe für sehr hohe Anforderungen wird eine Flockungsfiltration empfohlen.
Ein weiteres aktuelles Thema der Abwasserreinigung ist die Elimination von organischen Mikroschadstoffen. Es handelt sich um Substanzen wie z. B. pharmazeutische Wirkstoffe und Industriechemikalien aus anthropogenen Quellen, die über häusliches Abwasser in kommunale Kläranlagen und deren Abläufe gelangen. Ihr Eintrag in Gewässer ist problematisch, weil sie die aquatische Umwelt schädigen und die Trinkwassergewinnung beeinträchtigen können. Sie können durch Adsorption an Aktivkohle eliminiert werden. Die Elimination von Phosphor und von organischen Mikroschadstoffen kann in einem Filter parallel stattfinden, wenn als Filterbettmaterial granulierte Aktivkohle (GAK) eingesetzt wird. Diese dient dann einerseits zum Rückhalt von Feststoffen. Gleichzeitig können organische Mikroschadstoffe aus der Wasserphase in die Poren der Aktivkohlekörner diffundieren und an deren inneren Oberfläche gebunden werden. Für die vorliegende Arbeit wurden zunächst Untersuchungen zur Phosphorelimination mit einem abwärts durchströmten Filterbett aus Anthrazit und Sand durchgeführt. Die Eignung des Verfahrens im Hinblick auf sehr niedrige Ablaufkonzentrationen an Gesamt-Phosphor wurde nachgewiesen und wichtige Zusammenhänge zwischen den Betriebsbedingungen und einer effektiven Nutzung des Filterbetts aufgezeigt.
In weiteren Versuchsphasen wurde die Filtersäule nacheinander mit drei Aktivkohlen unterschiedlicher Körnung gefüllt. Auch diese Filterbetten waren geeignet, mittels Fällung und Flockung sehr niedrige Ablaufkonzentration an Gesamt-Phosphor zu erzielen. Die Elimination von Mikroschadstoffen war mit grober Aktivkohle nur sehr eingeschränkt möglich, mit einer feineren GAK wurde dagegen eine Elimination in einer Größenordnung erreicht, wie sie auch in anderen Untersuchungen gefunden wurde. Bei feiner GAK kam es allerdings zu einer Porenblockierung in der obersten Schicht. Bei der technischen Umsetzung sowohl der Phosphorelimination als auch beim kombinierten Verfahren spielen die Feststoffe, mit denen das Filterbett belastet wird, eine wesentliche Rolle. Für eine Vielzahl von Filterzyklen wurde eine spezifische Oberflächenbelastung berechnet. Ihre Kenntnis erlaubt eine Abschätzung der erwartbaren Filterlaufzeit. Eine Verschlechterung des Adsorptionsvorganges von Mikroschadstoffen durch Feststoffe, die in den Poren des Filterbetts zurückgehalten werden, wurde weder bei der Auswertung von Zyklus-Mischproben, noch in Konzentrationsprofilen gefunden. Die Konzentrationsprofile zeigten darüber hinaus, dass durch die wiederkehrende Filterspülung eine Teildurchmischung über die Höhe des Filterbetts stattfand. Dadurch wurde die Beladung des Filterbetts mit den bereits adsorbierten Mikroschadstoffen nach jeder Spülung neu verteilte. Die Kombination der Flockungsfiltration mit einer Elimination von organischen Mikroschadstoffen in einem GAK-Filter kann unter bestimmten Randbedingungen das Verfahren der Wahl sein. Dies erfordert eine wohlüberlegte Gestaltung des Filterbetts im Hinblick auf die Abforderungen. Darüber hinaus sind eine intelligente Mess- und Regeltechnik für die Betriebssteuerung und für die Kontrolle der Ablaufkonzentration unabdingbar, um den Betrieb an die aktuelle Belastung anzupassen und so das Filterbett optimal auszunutzen.
Ein weiteres aktuelles Thema der Abwasserreinigung ist die Elimination von organischen Mikroschadstoffen. Es handelt sich um Substanzen wie z. B. pharmazeutische Wirkstoffe und Industriechemikalien aus anthropogenen Quellen, die über häusliches Abwasser in kommunale Kläranlagen und deren Abläufe gelangen. Ihr Eintrag in Gewässer ist problematisch, weil sie die aquatische Umwelt schädigen und die Trinkwassergewinnung beeinträchtigen können. Sie können durch Adsorption an Aktivkohle eliminiert werden. Die Elimination von Phosphor und von organischen Mikroschadstoffen kann in einem Filter parallel stattfinden, wenn als Filterbettmaterial granulierte Aktivkohle (GAK) eingesetzt wird. Diese dient dann einerseits zum Rückhalt von Feststoffen. Gleichzeitig können organische Mikroschadstoffe aus der Wasserphase in die Poren der Aktivkohlekörner diffundieren und an deren inneren Oberfläche gebunden werden. Für die vorliegende Arbeit wurden zunächst Untersuchungen zur Phosphorelimination mit einem abwärts durchströmten Filterbett aus Anthrazit und Sand durchgeführt. Die Eignung des Verfahrens im Hinblick auf sehr niedrige Ablaufkonzentrationen an Gesamt-Phosphor wurde nachgewiesen und wichtige Zusammenhänge zwischen den Betriebsbedingungen und einer effektiven Nutzung des Filterbetts aufgezeigt.
In weiteren Versuchsphasen wurde die Filtersäule nacheinander mit drei Aktivkohlen unterschiedlicher Körnung gefüllt. Auch diese Filterbetten waren geeignet, mittels Fällung und Flockung sehr niedrige Ablaufkonzentration an Gesamt-Phosphor zu erzielen. Die Elimination von Mikroschadstoffen war mit grober Aktivkohle nur sehr eingeschränkt möglich, mit einer feineren GAK wurde dagegen eine Elimination in einer Größenordnung erreicht, wie sie auch in anderen Untersuchungen gefunden wurde. Bei feiner GAK kam es allerdings zu einer Porenblockierung in der obersten Schicht. Bei der technischen Umsetzung sowohl der Phosphorelimination als auch beim kombinierten Verfahren spielen die Feststoffe, mit denen das Filterbett belastet wird, eine wesentliche Rolle. Für eine Vielzahl von Filterzyklen wurde eine spezifische Oberflächenbelastung berechnet. Ihre Kenntnis erlaubt eine Abschätzung der erwartbaren Filterlaufzeit. Eine Verschlechterung des Adsorptionsvorganges von Mikroschadstoffen durch Feststoffe, die in den Poren des Filterbetts zurückgehalten werden, wurde weder bei der Auswertung von Zyklus-Mischproben, noch in Konzentrationsprofilen gefunden. Die Konzentrationsprofile zeigten darüber hinaus, dass durch die wiederkehrende Filterspülung eine Teildurchmischung über die Höhe des Filterbetts stattfand. Dadurch wurde die Beladung des Filterbetts mit den bereits adsorbierten Mikroschadstoffen nach jeder Spülung neu verteilte. Die Kombination der Flockungsfiltration mit einer Elimination von organischen Mikroschadstoffen in einem GAK-Filter kann unter bestimmten Randbedingungen das Verfahren der Wahl sein. Dies erfordert eine wohlüberlegte Gestaltung des Filterbetts im Hinblick auf die Abforderungen. Darüber hinaus sind eine intelligente Mess- und Regeltechnik für die Betriebssteuerung und für die Kontrolle der Ablaufkonzentration unabdingbar, um den Betrieb an die aktuelle Belastung anzupassen und so das Filterbett optimal auszunutzen.