Kommunale Abwasserbehandlung: Nachgeschaltete Pulveraktivkohlestufe im Klärwerk bindet Arzneimittelwirkstoffe

Dipl.-Ing.(FH) Steffen Metzger

Seit Mitte 2003 untersucht die Hochschule Biberach in Zusammenarbeit mit dem Zweckverband Klärwerk Steinhäule, Ulm, in einem vom Umweltministerium Baden-Württemberg geförderten FuE-Vorhaben, wie und in welchem Umfang die organische Restverschmutzung im Ablauf kommunaler Kläranlagen mit Hilfe von Pulveraktivkohle weiter verringert werden kann. Ziel des Vorhabens ist es, eine dauerhafte Unterschreitung der CSB-Ablaufwerte von 20 mg/L sicherzustellen. Gleichzeitig wird geprüft, ob mit diesem Verfahren organische Mikroschadstoffe, zu denen u.a. Rückstände aus Arzneimitteln und endokrin wirksame Substanzen zählen, aus dem Abwasser quantitativ entfernt werden können.

Vorhabensbeschreibung und Zielsetzung
In letzter Zeit häufen sich die Meldungen über das Vorkommen von Arzneimittelwirkstoffen in Gewässern. Kommunale Kläranlagen werden als einer der Hauptemittenten für diese Substanzen in die aquatische Umwelt angesehen. Untersuchungen zeigen, dass ein Großteil der im Abwasser vorhandenen Arzneimittelwirkstoffe kommunale Kläranlagen, die primär auf die Elimination organischer Abwasserinhaltsstoffe, summarisch erfasst als Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) oder Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5) und auf die Nährstoffentnahme (Phosphor und Stickstoff) ausgelegt sind, ungehindert passieren können.

Der Zweckverband Klärwerk Steinhäule, Ulm, dessen Verbandsklärwerk täglich die Abwassermengen von derzeit 360.000 Einwohnerwerten hinsichtlich der gesetzlich vorgeschriebenen Anforderungen reinigt und der Donau zuführt, beabsichtigt die organische Restverschmutzung des Abwassers weiter zu verringern und damit die Gewässerqualität der Donau zu verbessern.

Das Kriterium der Entnahme von organischer Restverschmutzung wird bei diesem vom Umweltministerium Baden-Württemberg geförderten FuE-Vorhaben am Parameter CSB festgemacht: Ziel ist es, durch Entnahme von partikulären und gelösten Stoffen im Kläranlagenablauf eine dauerhafte Unterschreitung der CSB-Werte < 20 mg/l sicherzustellen. Gleichzeitig wird die Möglichkeit untersucht, ob und in welchem Umfang organische Mikroschadstoffe, zu denen u.a. Rückstände von Arzneimitteln und endokrin wirksame Substanzen zählen, mit der angewandten Verfahrensweise aus dem Abwasser entnommen werden können.
Neben dem ökologischen Aspekt ist für den Verband ein betriebswirtschaftlicher Gesichtspunkt für die Entwicklung einer geeigneten Verfahrensweise mit maßgebend: Bei dauerhafter Unterschreitung des sog. „Schwellenwertes“ für den CSB von 20 mg/l im gereinigten Abwasser entfällt die Zahlung der Abwasserabgabe auf diesen Parameter.

Verfahrensweise
Für die Untersuchungen zum Einsatz der Pulveraktivkohle im Durchlaufbetrieb wurde Ende 2003 im Klärwerk Steinhäule eine Versuchsanlage gemäß dem in Bild 1 dargestellten Verfahrensschema aufgebaut. Die Konzepterarbeitung sowie Dimensionierung der in Bild 2 gezeigten Anlage haben Bauingenieure des Instituts für GEO und UMWELT der Hochschule Biberach vorgenommen.

Bild 1: Verfahrensschema der halbtechnischen Versuchsanlage

Die Anlage unterteilt sich in Straße A und Straße B. Straße A, in der die Aktivkohle eingesetzt wird, gliedert sich in eine biologische Stufe und eine nachgeschaltete Adsorptionsstufe, Straße B besteht aus einer biologischen Reinigungsstufe und dient als Vergleichsanlage.
Die Straßen werden mengenproportional zum Zufluss des Klärwerks Steinhäule über eine Exzenterschneckenpumpe (2) und eine Wasserweiche mit Rohabwasser aus dem Vorlagebehälter beschickt. Der Vorlagebehälter wird kontinuierlich mit Abwasser, welches zuvor in Sand- / Fettfang und Feinrechen gereinigt wurde, befüllt (1).
Die biologische Reinigungsstufe besteht aus einem Belebungsbecken und einem Nachklärbecken. Das Belebungsbecken gliedert sich in eine vorgeschaltete Denitrifikationszone (DN) und eine belüftete Nitrifikationszone (N). Zur Denitrifikation wird der im Nachklärbecken abgesetzte Schlamm kontinuierlich in die Denitrifikationszone des Belebungsbeckens zurückgeführt (3; 9).
Die nachgeschaltete Adsorptionsstufe besteht aus einem Kontaktreaktor und einem Sedimentationsbecken. Der Kontaktreaktor gliedert sich in drei gleich große Kaskaden. Um im nachgeschalteten Sedimentationsbecken die Pulveraktivkohle besser absetzen zu können, wird dem biologisch gereinigten Abwasser vor dem Kontaktreaktor Fällmittel zum Aufbau einer abtrennbaren Flocke zudosiert (4). Die frische Pulveraktivkohle wird in den Einlaufbereich der ersten Kaskade des Kontaktreaktors über eine Schlauchpumpe zugegeben (5). Um eine verbesserte Abtrennung des feinen Kohlestaubs zu erreichen, wird dem „Kohle-Schlamm-Gemisch“ nach dem Kontaktreaktor Flockungshilfsmittel zudosiert (6). Der im Sedimentationsbecken abgesetzte „Kohle-Schlamm“ wird zur Mehrfachbeladung als „Rücklaufkohle“ wieder in die erste Kaskade des Kontaktreaktors zurückgeführt (7). Die Entnahme des „Kohle-Schlamm-Gemischs“ aus der Adsorptionsstufe erfolgt als „Überschusskohle“. Zur Ausnutzung der möglichen Restadsorptionskapazität der Kohle wird die mehrfach beladene „Überschusskohle“ in die Nitrifikationszone des Belebungsbeckens zurückgeführt (8). Die Entsorgung der Kohle wird durch die Entnahme des Überschussschlammes aus dem Belebungsbecken sichergestellt.

Bild 2: Versuchsanlage im Klärwerk Steinhäule, im Vordergrund die Belebungsbecken der beiden Straßen A und B

Zur Bilanzierung der Reinigungsleistung der Adsorptionsstufe sowie der Rückführung von „Überschusskohle“ in die Biologie werden in den Abläufen der Nachklärbecken (PN II; IV) sowie des Sedimentationsbeckens (PN III) mengenproportionale Proben gezogen.

Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Beckendimensionen und Volumenströme der halbtechnischen Versuchsanlage. Der Maßstab zwischen der Versuchsanlage und dem Klärwerk Steinhäule beträgt
1 : 12.000.

Tabelle 1: Beckendimensionen und Volumenströme der Versuchsanlage

Becken	Volumen
Belebungsbecken	2.700 L
Verhältnis DN:N	1:3
Nachklärbecken	2.000 L
Kontaktreaktor	255 L
Sedimentationsbecken	1.100 L
Pumpe	Fördermenge
Zulauf pro Straße (mengenproportional)	bis 500 L/h
Rücklaufschlamm (kontinuierlich)	400 L/h
Rücklaufkohle (kontinuierlich)	200 L/h

Ergebnisse
Um die Entnahme der gelösten Verschmutzung feststellen zu können, wurden alle Proben vor der Bestimmung membranfiltriert (Ø 0,45 µm).

Bezugspunkt für die zusätzliche Entnahme aufgrund des Einsatzes von Pulveraktivkohle bei der kommunalen Abwasserbehandlung stellt der Auslauf der biologischen Reinigungsstufe, Nachklärbecken B, dar. Somit lässt sich die zusätzliche Entnahme gegenüber der konventionellen biologischen Reinigung wie folgt berechnen: Zusätzliche Entnahme = Ablaufwert Nachklärbecken B – Ablaufwert Sedimentationsbecken A.

Die Untersuchungen aus dem Jahre 2004 zeigen, dass mit einer Dosierung von 10 mg/l Pulveraktivkohle im Mittel ca. 45 % der nach biologischer Reinigung im Abwasser verbleibenden gelösten organischen Restverschmutzung entnommen werden können. Damit können heutige CSB-Werte im Kläranlagenablauf bis zu 35 mg/l (gelöst) mit einer Aktivkohledosierung von 10 mg/l soweit verringert werden, dass eine Unterschreitung des CSB-Schwellenwertes von 20 mg/l gegeben ist. Bei einer Verdoppelung der Dosierung auf 20 mg/l Aktivkohle können im Mittel 65 % der verbleibenden organischen Restverschmutzung zurückgehalten werden. Darüber hinaus zeigt sich, dass ca. ein Drittel der Verringerung auf die zusätzliche Entnahme in der Biologie aufgrund der Rückführung von Überschusskohle zurückzuführen ist [1].

Messungen in Zusammenarbeit mit dem Zweckverband Landeswassersorgung haben ergeben, dass nicht-ionische Röntgenkontrastmittel (RKM) mit der angewandten Verfahrensweise bei einer Dosierung von 10 mg/l Pulveraktivkohle zwischen 50 und 75 % aus der Wasserphase eliminiert werden können (Bild 3). Lediglich die ionische Substanz Amidotrizoesäure kann nur unwesentlich entfernt werden. Die Verdoppelung der Aktivkohledosierung hat eine Verringerung der nicht-ionischen RKM von 90 % zur Folge, gleichzeitig zeigt sich, dass die Amidotrizoesäure um durchschnittlich 40 % eliminiert wird. Berechnungen haben ergeben, dass bei einem 100 prozentigem Rückhalt der RKM im Klärwerk Steinhäule, ca. 30 % weniger RKM an der Donau-Rohwasserentnahmestelle der Landeswasserversorgung in Leipheim anfallen würden [2].

Bild 3: Mittlere prozentuale Gesamtentnahme an Röntgenkontrastmitteln bei Aktivkohledosierungen von 10 und 20 mg/L

Untersuchungen des Jahres 2006 hinsichtlich der Entnahme von Arzneimittelwirkstoffen aus dem Abwasser zeigen, dass die nach der biologischen Behandlung gefundenen Arzneimittelwirkstoffe (u.a. Analgetika, Lipidsenker, Antiepileptika, β-Blocker, Antibiotika) mit einer Dosierung von 10 mg/l Aktivkohle durchschnittlich zu 80 % entfernt werden können [3]. Die Analysen wurden beim Technologiezentrum Wasser (TZW), Karlsruhe, durchgeführt. Von den insgesamt über 60 untersuchten Einzelwirkstoffen konnten im Kläranlagenzulauf 17 Wirkstoffe oberhalb der Bestimmungsgrenze gefunden werden. Zu den nachgewiesenen Substanzen mit den höchsten Konzentrationen (> 1 µg/l) im Zulauf zählt der Wirkstoff Diclofenac. Die Messungen zeigen, dass mit der Behandlung von 10 mg/l Aktivkohle eine Entnahme von knapp 90 % des Wirkstoffes gegenüber der konventionellen biologischen Reinigung, die keinen nennenswerten Rückhalt für diese Substanz aufweist, gegeben ist.

Die Dosierung von 10 mg/l Pulveraktivkohle hat darüber hinaus einen Rückgang der estrogenen Gesamtaktivität, festgemacht an der 17ß-Estradiol-Äquivalentkonzentration (EEQ), von ca. 80 % gegenüber alleiniger biologischer Behandlung zur Folge [4]. Die Bestimmung der EEQ wurde am Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft, Abteilung Hydrochemie der Universität Stuttgart durchgeführt.

Weitere Untersuchungen
In jüngster Vergangenheit wurden im Klärwerk Steinhäule abschließende Untersuchungen durchgeführt, die es mittlerweile erlauben, das Verfahren in einer großtechnischen Anlage umzusetzen. U.a. wurde untersucht, unter welchen Randbedingungen mit einer Sandfiltration nach der Adsorptionsstufe die weitestgehende Feststoffabtrennung sichergestellt werden kann. Darüber hinaus werden derzeit verschiedene Modifikationen der Verfahrensweise untersucht: So wird z.B. getestet, ob eine Dosierung von Pulveraktivkohle direkt in das Belebungsbecken die gleichen Ergebnisse hinsichtlich der Entnahme von CSB und Spurenstoffen erbringt, wie eine nachgeschaltete Adsorptionsstufe.

Teile des Berichtes stammen aus dem Artikel „Pulver gegen Arzneimittel im Wasserkreislauf“, erschienen Umweltmagazin im September 2006, Springer VDI Verlag; www.umweltmagazin.de

Im Rahmen der DWA-Bundestagung am 17./18.09.08 in Mannheim wird der Autor zur Thematik „Aktivkohle zur besseren Abwasserreinigung – vom Versuch zum technischen Maßstab“ vortragen.

Link zum Tagungsprogramm  DWA-Bundestagung am 17./18.09.08 in Mannheim:
http://bundestagung.dwa.de/portale/buta/buta.nsf/home?readform&treeid=_1_1&submenu=_1_1&objectid=C5CA63CBC756A8FAC125724A0048FF2B 

Autor:
Dipl.-Ing.(FH) Steffen Metzger
Hochschule Biberach
Institut für GEO und UMWELT
Karlstr. 11
88400 Biberach
metzger@fh-biberach.de

Literatur: