Machbarkeitsstudie zur Spurenstoffelimination auf dem Gruppenklärwerk Flerzheim Gefördert vom: Mikroschadstoffe in der Erft Machbarkeitsstudie GKW Flerzheim Auftraggeber: Erftverband Auftragnehmer: Erftverband aquatec GmbH Am Erftverband 6 50126 Bergheim Tel: 02271 / 88-0 Fax: 02271 / 88-1210 Bearbeitung: Luk Beyerle Christoph Brepols Niklas Wachendorf Bearbeitungszeitraum: 2016 - 2018 Gefördert vom: Bildquelle Deckblatt: Digitale Orthophotos, www.tim-online.nrw.de, Land NRW 2018, Datenlizenz Deutschland -Namensnennung - Version 2.0 (www.govdata.de/dl-de/by-2-0) 2 Mikroschadstoffe in der Erft Machbarkeitsstudie GKW Flerzheim Inhaltsverzeichnis 1 Veranlassung ..................................................................................................................8 1.1 Untersuchung von Mikroschadstoffen in der Erft ......................................................8 1.2 Masterplan Abwassertechnik 2025 ...........................................................................9 1.3 Effizienzstudien zur Mikroschadstoffentfernung im Erfteinzugsgebiet .....................14 2 Stand der Forschung und Technik zur Mikroschadstoffelimination ................................16 2.1 Herkunft und Verbreitung von Mikroschadstoffen ...................................................16 2.2 Vermeidung und Verminderung ..............................................................................21 2.3 Überblick technischer Maßnahmen in der Abwasserreinigung................................23 2.4 Adsorptive Verfahren ..............................................................................................25 2.4.1 Grundlagen der Adsoprtion .............................................................................25 2.4.2 Aktivkohleadsporption von Abwasser ..............................................................26 2.4.3 Pulveraktivkohle ..............................................................................................32 2.4.4 Granulierte Aktivkohle .....................................................................................35 2.5 Oxidative Verfahren ................................................................................................38 2.5.1 Ozonung .........................................................................................................38 2.5.2 Advanced Oxidation Processes (AOP) ............................................................41 2.6 Filtrationsverfahren .................................................................................................42 2.6.1 Nanofiltration ...................................................................................................44 2.6.2 Umkehrosmose ...............................................................................................44 2.7 Biologische Verfahren ............................................................................................44 2.7.1 Membranbelebungsverfahren ..........................................................................44 2.7.2 Bodenfilter .......................................................................................................48 2.8 Kombinierte Verfahren ...........................................................................................51 2.9 Stand der Erkenntnisse, großtechnische Umsetzungen .........................................53 2.10 Unterschiede wesentlicher Verfahren .....................................................................55 3 Einzugsgebiet der Kläranlage und Abwassereigenschaften ..........................................57 3.1 Beschreibung des Einzugsgebiets ..........................................................................57 3.1.1 Siedlungsstruktur und Flächennutzung............................................................57 3.1.2 Altersstruktur der Bevölkerung ........................................................................58 3.1.3 Pflegeeinrichtungen- und Krankenhäuser ........................................................58 3.1.4 Industrielle und gewerbliche Produktion ..........................................................59 3.1.5 Sonstige Indirekteinleiter .................................................................................59 3.2 Abwassermenge und Zuflußcharakteristik ..............................................................59 3.3 Abwasserzusammensetzung ..................................................................................60 3 Mikroschadstoffe in der Erft Machbarkeitsstudie GKW Flerzheim 3.4 Screening auf Mikroschadstoffe .............................................................................62 4 Ausarbeitung von technischen Anlagenkonzepten ........................................................65 4.1 Vorhandene Kläranlage ..........................................................................................65 4.1.1 Vorgelagerte Betriebsstellen ...........................................................................66 4.1.2 Verfahrenstechnik ...........................................................................................67 4.1.3 Aktuelle Reinigungsanforderungen ..................................................................68 4.2 Bewertung der verfügbaren Verfahren zur Mikroschadstoffelimination ...................68 4.3 Verfahrensauswahl für das GKW Flerzheim ...........................................................73 4.4 Auslegungswerte der 4. Reinigungsstufe ...............................................................75 4.5 Neuerrichtung PAK-Dosierung mit eigenem Schlammkreislauf ..............................77 4.6 Neuerrichtung GAK-Filtration..................................................................................84 4.7 Neuerrichtung Ozonbehandlung mit Nachbehandlung durch Sandfilter ..................88 4.8 Umrüstung zur Membranbelebungsanlage mit PAK-Dosierung in die Belebung .....92 5 Kostenermittlung ...........................................................................................................94 5.1 Kostenansätze .......................................................................................................94 5.2 Kosten PAK mit separatem Schlammkreislauf ........................................................95 5.3 (Neuerrichtung) GAK-Filtration ...............................................................................98 5.4 Kosten Neuerrichtung Ozonbehandlung mit Nachbehandlung durch Sandfilter ......99 5.5 Kosten Membranfiltration mit PAK-Dosierung ....................................................... 101 6 Variantendiskussion und Verfahrensempfehlung ......................................................... 103 6.1 Variantenvergleich Vollstrombehandlung ............................................................. 104 6.2 Variantenvergleich Teilstrombehandlung .............................................................. 106 7 Betrachtung des Gewässers und sonstiger Umweltwirkungen..................................... 110 7.1 Ökologische Betrachtung des Gewässers ............................................................ 110 7.2 Erfordernis zur Mikroschadstoffelimination aus ökologischer Sicht ....................... 111 8 Fazit ............................................................................................................................ 113 9 Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 116 Anlagen: Anlage 1: Mikroschadstoffkonzentrationen im Ablauf der KA / im Einleitgewässer Anlage 2: Betrachtung des Gewässers und sonstiger Umweltwirkungen 4 Mikroschadstoffe in der Erft Machbarkeitsstudie GKW Flerzheim Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Ziele, Methoden und Ergebnisse des Masterplans Abwasser 2025 .................10 Abbildung 2: Investitionskosten von Kläranlagen abhängig von der Ausbaugröße ..............11 Abbildung 3: Jährliche Betriebskosten von Kläranlagen abhängig von der Ausbaugröße .....11 Abbildung 4: Kläranlagenstandorte und Größenklassen nach 2025......................................12 Abbildung 5: Untersuchte Kläranlagenstandorte (blau) und Probenahmepunkte am Gewässer (rot) ...............................................................................................14 Abbildung 6: Eintragspfade von anthropogenen Spurenstoffen in die Gewässer (Hillenbrand et al. 2014).....................................................................................................18 Abbildung 7: Eintragspfade anthropogener Spurenstoffen in die Gewässer .........................18 Abbildung 8: Verfahren der Spurenstoffentfernung aus Abwasser ........................................25 Abbildung 9: Aktivkohlepartikel (Culp und Culp 1974) ..........................................................27 Abbildung 10: Elimination von Diclofenac, Bezafibrat und Ibuprofen ....................................29 Abbildung 11: Elimination der Röntgenkontratsmittel Iopromid und Iopamidol ......................30 Abbildung 12: PAK Dosierung mit eigenem Schlammkreislauf, nachgeschalteter Sedimentation und Filtration ..........................................................................33 Abbildung 13: PAK Dosierung in Belebungsbecken..............................................................34 Abbildung 14: Nachgeschaltete GAK Filtration (Mit Bypass zur Teilstrombehandlung) .........36 Abbildung 15: Nachgeschaltete GAK-Filtration in bestehender Filtration (wenn P-ÜW auch ohne Filtration eingehalten werden, immer Teilstrombehandlung) .................36 Abbildung 16: Serienschaltung von