Forschung in der Kläranlage Landau-Mörlheim

Der Wasser 3.0 – Kläranlagentransfer

Abb.1: Fließschema des Klärprozess der Kläranlage Landau-Mörlheim inkl. Versuchsreaktor als 4. Reinigungsstufe (eigene Darstellung)

Zur Reinigung der anfallenden Abwässer betreibt der Entsorgungs- und Wirtschaftsbetrieb Landau (EWL) eine moderne Zentralkläranlage in Landau-Mörlheim, die 1983 nach dreijähriger Bauzeit in Betrieb genommen wurde. Die Abwasseranlage reinigt die Abwässer der Stadt Landau und der Gemeinden Albersweiler, Frankweiler, Siebeldingen, Leinsweiler, Ranschbach, Birkweiler, Ilbesheim und Bornheim. Somit wird das Abwasser von 51.000 Menschen und den dort ansässigen Industrie- und Gewerbebetrieben (dies entspricht im Durchschnitt 90.000 Einwohnergleichwerten bzw. der Größenklasse 4) verarbeitet.

Bei dem EWL handelt es sich um eine Kläranlage mit Belebtschlammverfahren und simultaner Schlammstabilisierung. Gereinigt wird in drei Stufen mit einer Reinigungsleistung von 95 bis 97%:

  1. Mechanische Reinigung: Rechen, Sand- und Fettfang, Vorklärbecken
  2. Biologische Reinigung: Nitrifikation und Denitrifikation
  3. Chemische Reinigung: Phosphat-Eliminierung mit Fällmittel

Derzeit testet das Team Wasser 3.0 die Entfernung von Medikamentenrückständen und anderen konventionell nicht zu entfernender Schadstoffe mit Hilfe eines modularen Wasser 3.0 Versuchsreaktors als variable und adaptierbare vierte Reinigungsstufe. Die Wissenschaftler untersuchen in Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern der Kläranlage den Einsatz von neuen Materialien, sogenannten Hybridmaterialien, zur Abwassersanierung gegenüber Aktivkohle (Abb. 1).

Videorundgang

Aktuelle Situation in der Kläranlage Landau-Mörlheim

Mechanische Reinigung

Abb.2: Stufenrechen im Einsatz

Vor der ersten Reinigungsstufe pumpt ein Einlaufhebewerk das Abwasser hoch, dass es alle Reinigungsstufen im freien Gefälle, d. h. ohne weitere Pumpen durchlaufen und danach in den nahegelegenen Fluss Queich fließen kann. Im Einsatz sind zwei Schneckenpumpen mit je 250 l/s Förderleistung. Die vom Abwasser mitgeführten Grobstoffe werden von drei nebeneinander angeordneten Rechen aufgefangen, aus dem Wasser gehoben und in eine Transportschnecke abgeworfen. Die Schnecke transportiert das Rechengut in eine Waschpresse, in der die Fäkalien weitgehend ausgewaschen und dem Abwasser wieder zugegeben werden. Das gewaschene Rechengut wird in einer Presse entwässert und fällt in einen Container. Der Rechen besteht aus Blechlamellen mit 5 mm Zwischenraum. Es werden also alle Stoffe größer als 5 mm zurück gehalten (Abb. 2).

Abb.3: Sandfang (rechts) und Fettfang (links)

Nach dem Rechen durchfließt das Abwasser den Sand- und Fettfang (Abb. 3). Mit der Entfernung des Sandes werden in den nachfolgenden Reinigungsschritten Störungen wie z. B. Ablagerungen oder erhöhter Verschleiss vermieden. Am Sandfang teilt sich der Abwasserstrom in zwei Teilströme, die jeweils getrennt die Abwasserreinigung durchfließen. Alle folgenden Bauwerke sind also doppelt vorhanden. Im Sandfang wird an einer Längsseite Luft eingeblasen. Dadurch bildet sich eine Wasserwalze mit einer Geschwindigkeit von ca. 30 cm/s, so dass sich der Sand absetzen kann, die leichteren organischen Stoffe wie Kaffeesatz, Toilettenpapier etc. jedoch in Schwebe bleiben. Der Sand wird periodisch mit einer am Räumer befestigten Pumpe in einen Container gefördert, in dem er abtransportiert wird. Das Fett wird mit einem Teil der eingeblasenen Luft in die seitlich angeordnete Fettkammer abgetrieben und schwimmt dort auf. Die Luft beschleunigt das Aufschwimmen des Fettes. Mit einem Räumschild werden die Leichtstoffe von der Oberfläche geräumt und entsorgt.

Abb. 4: Vorklärbecken mit Auslauf ins Belebungsbecken

Alle Stoffe, welche sich absetzen können, aber nicht im Sandfang zurückgehalten werden, setzen sich in den Vorklärbecken ab (Abb. 4). Ein Räumschild schiebt kontinuierlich den Schlamm am Boden zur Mitte hin. Von dort wird er in die Schlammbehandlung gepumpt, und anschließend zur Ausfaulung in die Faultürme verbracht. Nach dem Vorklärbecken enthält das Abwasser nur noch gelöste Stoffe und Schwebstoffe, die sich durch die Schwerkraft nicht abscheiden lassen. Es fließt der biologischen Reinigung zu.

Biologische Reinigung

Das Abwasser, welches vor allem Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen enthält, wird im Anschluss in der biologische Reinigung transportiert. Um die gelösten Stoffe zu entfernen, ist die Umwandlung in eine ungelöste Form notwendig. Diese Aufgabe erfüllt der Belebtschlamm. Er besteht im Wesentlichen aus Bakterien und Einzellern. Sie fressen den gelösten organischen Schmutz und vermehren sich dadurch, d. h. der Schlamm im Belebungsbecken vermehrt sich in dem Maß, wie der organische Schmutz abnimmt. Für den Abbau der Kohlenstoffverbindungen eignen sich viele Bakterienarten. Versorgt mit ausreichend Sauerstoff setzen sie die organischen Verbindungen in Zellsubstanz, Kohlendioxid, Wasser und Energie um. Stickstoff wird von speziellen Bakterien zunächst mit einer großen Menge an Sauerstoff in Nitrat und dann in einem zweiten Schritt unter anoxischen Bedingungen in gasförmigen Stickstoff umgewandelt, der in die Atmosphäre entweicht. Die beiden Schritte zur Bildung von Stickstoff heißen Nitrifikation und Denitrifikation. Bei der Nitrifikation wird das hauptsächlich vorliegende Ammonium (NH4) unter starker Sauerstoffzufuhr in zwei Stufen oxidiert. Zunächst wird das Ammonium zu Nitrit (NO2), und danach das Nitrit zu Nitrat (NO3) umgewandelt. Bei der Denitrifikation wird das Nitrat zu Stickstoff (N2) reduziert und in die Atmosphäre abgegeben, die zu fast 80 % aus diesem Gas besteht. Dabei helfen Mikroorganismen, die nur unter sauerstoffarmen Bedingungen Nitrat zu Sauerstoff und Stickstoff umwandeln. Der hohe Sauerstoffbedarf für die Nitrifikation und die notwendige Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff während der Denitrifikation machen eine räumliche oder zeitliche Trennung der Verfahrensschritte notwendig. In der Kläranlage Landau-Mörlheim wird eine vorgeschaltete Denitrifikation eingesetzt, also eine räumliche Trennung des Verfahrens über zwei abgetrennte Klärbereiche im Belebungsbecken.

Abb. 6: Nitrifikationsbereich während belüfteter Phase

Der Sauerstoff für die Bakterien wird in den Belebtschlamm eingetragen, indem Luft durch fein gelochte Gummimembrane am Beckenboden eingeblasen wird. Pro Becken kann von einem Gebläse die Drehzahl geregelt werden. Dadurch wird die Luftmenge immer dem aktuellen Bedarf angepasst, z.B. bei einer höheren Belastung in Zeiten der Weinlese. Der Grund hierfür liegt darin, dass die bei der Weinlese anfallenden Spül- und Reinigungswässer hoch verschmutzt sind und über den Abwasserkreislauf in der Kläranlage landen, wo die Bakterien unter großem Sauerstoffeintrag die Verschmutzung abbauen. Die Gebläsestation ist der größte Energieverbraucher der Kläranlage. Die Drehzahlregelung der Gebläse vermeidet unnötige Belüftung und dient somit dem sparsamen Umgang mit Energie. Im Normalbetrieb der Belüftung verbraucht die Gebläsestation ca. 1800 kW/h am Tag.

Vom Belebungsbecken fließt das Wasser in das Nachklärbecken. Dort wird ähnlich wie im Vorklärbecken die Fließgeschwindigkeit stark reduziert, so dass sich der Belebtschlamm absetzt und sich in der oberen Schicht das gereinigte klare Wasser sammelt. Es fällt über Kanten, die am Beckenrand angeordnet sind und fließt zur Kontrollstation am Auslauf und weiter in die nahegelegene Queich. In der Kontrollstation werden kontinuierlich pH-Wert, Temperatur, Trübung und Leitfähigkeit gemessen. Es werden automatisch Proben genommen, deren Inhaltsstoffe am nächsten Tag im Labor analysiert werden.

Die folgenden Diagramme zeigen die gemessenen Schadstoffkonzentrationen über einen Zeitraum von 14 Tagen bei der Einleitung von Abwässern in die Kläranlage Landau-Mörlheim und bei der Ableitung nach Durchlaufen der vorhandenen drei Reinigungsstufen. Die Messungen ergaben bisher, dass die chemische Qualität des Ablaufwassers nur unwesentlich schlechter als die des Wassers der Queich ist, was für eine sehr gute Abwassereinigung spricht.

Klärschlammbehandlung / Schlammfaulung

Abb. 10: Prozessabwasserspeicher mit 1.000 m³ Fassungsvermögen

Ein ununterbrochen umlaufender Räumer schiebt den Schlamm am Boden zur Beckenmitte. Von dort fließt er als sogenannter Rücklaufschlamm zum Rücklaufschlammpumpwerk, das ihn wieder in das Belebungsbecken befördert. Der Belebtschlamm fließt sozusagen im Kreislauf durch die Becken. Täglich vermehrt sich der Schlamm um 330 m³. Der Überschussschlamm wird aus dem Kreislauf heraus genommen und in die Schlammbehandlung gepumpt. Im Belebungsbecken sind etwa 3,5 g/l Feststoffe enthalten, d. h., nimmt man einen Liter Belebungsbeckeninhalt, filtert die Feststoffe ab und trocknet sie, so dass kein Wasser mehr darin ist, dann bleiben 3,5 g übrig. Mittels eines Bandeindickers (ein Bandsieb) wird der Überschussschlamm auf 70 g/l Feststoffe eingedickt und dann in die Faulung gepumpt (Schlammfaulung).

Der Schlamm aus dem Vorklärbecken wird im Voreindicker eingedickt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft dickt der Schlamm aufgrund sehr langsamen Rührens mit Stäben an der Sohle ein. An der Oberfläche sammelt sich das Trübwasser. Der Rohschlamm wird ebenfalls in die Faulung gepumpt und das Trübwasser wird wieder der Abwasserreinigung zugegeben. Das Trübwasser stellt ein hochkonzentriertes Abwasser dar. Um es optimal der Abwasserreinigung zugeben zu können, wurde zur Zwischenspeicherung im Jahr 2004 ein 1.000 m³ großer Prozessabwasserspeicher gebaut.

Abb.11: Faultürme der EWL Kläranlage

In den beiden Faultürmen wird in einem Gärprozess durch Bakterien ein Teil der organischen Masse in Faulgas umgewandelt. Die Faulung wird auf ca. 35 °C geheizt, um den Methananteil hoch zu halten und den Faulprozess zu beschleunigen. Durch die Faulung wird der Schlamm nahezu geruchsfrei und lässt sich danach besser entwässern. Die Faultürme wurden seit 1989 nur einmal inspiziert und sind ansonsten ununterbrochen in Betrieb.

Das Faulgas enthält rund 60 % Methan und ist brennbar. Damit werden zwei Gasmotoren mit je 80 kW elektrischer Leistung betrieben. Die Gasmotoren laufen permanent, jedoch reicht die Faulgasmenge zum ständigen Betrieb der Motoren nicht aus. Etwa 30 % der gesamten benötigten Gasmenge liefert daher ein externes Energieversorgungsunternehmen. Der so produzierte Strom deckt ca. 90 % des Bedarfs der Kläranlage. Der Restbedarf wird von einem externen Energieversorger bezogen. Die von den Motoren erzeugte Wärme wird zur Heizung der Faultürme verwendet. Der Gesamtwirkungsgrad von Strom und Wärme der Anlage liegt derzeit bei 90 %.

Es gibt drei Hauptentsorgungswege für Klärschlämme mit entsprechenden Vor- und Nachteilen (Tab. 1). Festzuhalten ist, dass der ausgefaulte und entwässerte Schlamm der Kläranlage grundsätzlich als sogenannter Klärschlamm in der Landwirtschaft oder für eine thermische Verwertung genutzt werden kann.

 

Tabelle 1: Vor- und Nachteile der Klärschlammnutzung [1].
  Vorteile Nachteile
Verwertung in Landwirtschaft und Landschaftsbau + Nutzung der Nährstoffgehalte
+ Schonung der Phosphat-Ressourcen
+ Entsorgungsweg mit geringem Energieverbrauch und günstiger Klimabilanz
+ Kostengünstiger Entsorgungsweg
- Mögliche Schadstoffgehalte bergen ein potenzielles Risiko für Boden oder Grundwasser
- Eingeschränkte Planungssicherheit infolge unsicherer gesetzlicher Rahmenbedingungen
Monoverbrennung + Hohe Planungssicherheit für den Kläranlagenbetreiber
+ Zerstörung der organischen Schadstoffe
+ Energetische Nutzung möglich
- Nutzung der Nährstoffe kaum möglich; Phosphat-Rückgewinnung aus der Asche aufwändig, Technik dafür nicht etabliert.
- Kostenintensiver Entsorgungsweg
Mitverbrennung + Zerstörung der organischen Schadstoffe
+ Energetische Nutzung möglich
+ Kostengünstiger Entsorgungsweg
- Nutzung der Nährstoffe kaum möglich; Phosphat-Rückgewinnung aus der Asche nicht möglich
- Umweltbelastungen bei weiten Transportstrecken

Chemische Reinigung (Phosphatelimination) und anschließende Auslaufkontrolle

Abb. 12: PO4-P Werte bei Zu (grün)- und Ablauf (blau)

Phosphat ist ein essentieller Rohstoff für die Düngemittelproduktion und hat im natürlichen und anthropogenen Umfeld einen großen Einfluss auf das biologische Wachstum von Pflanzen. Betrachtet man Auswirkungen von Phosphateinträgen in Gewässer, so können diese zu Eutrophierung führen, die Wasserqualität nachhaltig negativ beeinflussen und das Ökosystem verändern. Um diese Belastung des Sauerstoffhaushaltes der Gewässer zu vermeiden, muss das Phosphat (PO4-P) aus dem Abwasser entfernt werden.

Aktuell existieren bereits fundierte Erkenntnisse für eine Reihe von Materialien die für die Reduktion der Phosphatgehalte eingesetzt werden können und von denen einige bereits in der kommunalen Abwasserbehandlung (z. B. Aktivkohle oder Eisenhydroxide) Verwendung finden. Bei der Entwicklung dieser aktuell verwendeten Produkte stand jedoch meist nicht die Betrachtung des Materials unter konstant hohen Belastungen im Fokus. Falls doch brachten sie schlechte Ergebnisse hinsichtlich der Reduktionszahlen hervor. Dies ist auf den sauren Charakter des Abwassers zurückzuführen. Die Phosphatelimination in der Kläranlage kann gleichzeitig mit der biologischen Abwasserreinigung im Belebungsbecken (sog. Simultanfällung), als Vorfällung in der Vorklärung oder in besonderen Fällungs- und Nachklärbecken (3. Reinigungsstufen) durchgeführt werden. Grundsätzlich wird zwischen der biochemischen und chemischen Phosphatelimination unterschieden, wobei diese oft kombiniert werden. In der Kläranlage Landau-Mörlheim findet eine Simultanfällung statt unter Verwendung von Eisen(III)chlorid. Es bilden sich dadurch wasserunlösliche Eisenphosphate, die mit dem Überschussschlamm aus dem Wasser entfernt werden. Der Prozess wird mit einer kontinuierlichen Phosphatmessung überwacht und geregelt. Das Eisensalz wird in flüssiger Lösung in einem 25 m³ großen, doppelwandigen Behälter bevorratet und mit je einer Dosierpumpe den beiden Belebungsbecken zugegeben. Pro Jahr werden ca. 740 t Eisensalz benötigt. Die folgende Abbildung 12 veranschaulicht den Verlauf der Phosphatkonzentration in der Kläranlage Landau-Mörlheim über einen Zeitraum von 14 Tagen. Die Werte bleiben im Jahresdurchschnitt auf ähnlichem Niveau.

Wasser 3.0 – Kläranlagentransfer:

Einsatz eines Versuchsreaktor als Pilotanlage zur Entfernung anthropogener Stressoren aus dem Abwasser

Abb.13: Versuchsreaktor Wasser 3.0

Die bisherige Abwasserreingung in Kläranlagen stößt mittlerweile an ihre Grenzen, da bestimmte anthropogene Spurenstoffe (u.a. Medikamentenrückstände, Hormone, Röntgenkontrastmittel, aber auch Nanoplastik und Schwermetalle) nicht oder nur unzureichend aus dem Abwasser eliminiert werden können. Zudem zeigt sich, dass die Phosphatelimination durch Fällung oftmals nicht die neuen angestrebten Richtwerte von 0,1 mg/l erreichen. Daher untersuchen einige wenige Kläranlagen wie sie mit einer 4. Reinigungsstufe diesen vielfältigen Herausforderungen mit innovativen Verfahren begegnen können.

Um die Belastung durch anthropogene Stressoren im Ökosystem einzudämmen erprobt ein Forscherteam der Universität Koblenz-Landau zusammen mit den Mitarbeitern der Kläranlage Landau-Mörlheim eine Methode, um mit innovativen Hybridmaterialien variable Substanzen und Substanzgemische aus dem Abwasser zu entfernen. Seit April 2015 betreibt das Team Wasser 3.0 einen Versuchsreaktor auf dem Gelände der Kläranlage in Landau und erforscht mit Stressoren-beaufschlagtem Brauchwasser die Wirkungsweise der innovativen Hybridmaterialien. Die Vorteile eines solchen adaptierbaren Versuchsreaktors liegen in der flexiblen und kostengünstigen Umsetzung sowie der praxisorientierten, realitätsnahen Versuchsanordnung. Bisher sind solche Settings in der Praxis jedoch die Ausnahme. Bei dem Reaktor handelt sich um einen Behälter aus Edelstahl mit einem Volumen von 2000 Litern. Prinzipiell könnte der Reaktor nach der chemischen Reinigung als 4. Stufe in den Prozess integriert werden. Dazu würde das abzuleitende Waser von unten in den Behälter geleitet, über die darin befindlichen Hybridmaterialen von den anthropogenen Schadstoffen befreit und oben über eine Kante überlaufen. Bisher hat das Forscherteam die zusätzliche Reinigung des Wassers in sogenannten Batchversuchen getestet. Das heißt, dass der Reaktor vom übrigen Reiningungsprozess abgetrennt ist und manuell betrieben wird. Eine Pumpe sorgt dabei für die Durchmischung im Behälter. Die bisher durchgeführten Versuche hatten Laufzeiten von mehreren Tage, bis hin zu zwei Wochen [2].

Ergänzt werden die realitätsnahen Kläranlagentransfer-Versuche durch Forschungsaktivitäten im Bereich der Detektion organischer Stressoren im Wasser [3]. Diese Kombination aus den Materialtests und der Weiterentwicklung in den analytischen Methoden werden notwendig um die Auswirkungen bestimmter Substanzen und Substanzklassen auf das Ökosystem durch ökotoxikologische Analysen ermitteln zu können. Erst nach der Ermittlung der Konzentrationen innerhalb des Abwasserreinigungsprozesses (und in den Gewässern) kann eine Einstufung der Produkte hinsichtlich möglicher Folgen für das Ökosystem erfolgen und es können mögliche Transformationsprodukte beschrieben werden. Auf der Basis dieser Ergebnisse erfolgen dann die Adaption der innovativen Hybridmaterialien und die Ermittlung der Reduktionsleistungen. Nach dem aktuellen Stand der Technik wird eine sogenannte Anreicherungstechnik notwendig. Um dies zu umgehen und die im online SPE-UHPLC-MS/MS Verfahren erhaltenen Nachweisgrenzen zu verbessern rückt die SPME-Technik (Festphasenmik-roextraktion) in den Schwerpunkt der Forschung [4]. Bei der SPME-Methode handelt es sich um ein vergleichsweise (zu allen anderen Verfahren) kostengünstiges Verfahren, da die Genauigkeit der Messung und die Bestimmung der Konzentrationen von der passenden SPME-Faser abhängen.

Acknowledgement:

Die Forschungsprojekte von Wasser 3.0 werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit Hilfe des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand – ZIM finanziell unterstützt. Als Industriepartner ist mit der Firma abcr GmbH aus Karlsruhe (GERMANY) ein Partner für den materialwissenschaftlichen Scale-up direkt projektinvolviert. Ergänzend hierzu ist mit der Firma SAS Hagmann GmbH aus Horb am Neckar (GERMANY) ein Analytikpartner in die F&E Aufgaben rund um das Projekt Wasser 3.0 eingebunden. Verfahrenstechniker aus den verschiedenen Anwendungsbereichen von Wasser 3.0 mit spezifischen Expertisen ergänzen die Anwendungsbereiche.

Literaturverzeichnis:

[1] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., DWA Positionen. Positionen zur Klärschlammentsorgung. Juni 2010, https://de.dwa.de/tl_files/_media/content/PDFs/Abteilung_WaBo/DWA-Positionen-Klaerschlammentsorgung.pdf, [9.8.2016]
[2] Schuhen, K, Patent 2015 eingereicht.
[3] Strozynska, M., Hiller, C., Schuhen, K. „Pharmazeutika im Wasser – Neue Methoden- und Verfahrensentwicklung zur Verbesserung der Nachweisgrenzen“ in GIT Labor-Fachzeitschrift 6/2016.
[4] Paíga, P., Lolić, A., Hellebuyck, F., Santos, L.H., Delerue-Matos, C., J Pharm Biomed Anal. 2015, 15, 106.

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