Elimination organischer Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser

Ivashechkin, Pavel V.; Dohmann, Max

doi:1726

Elimination organischer Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser = Elimination of organic trace pollutants from municipal wastewater

Ivashechkin, Pavel V. (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pavel Ivashechkin

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangXIX, 246 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zusammenfassung in dt., engl. und russ. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Dohmann, Max (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-11-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17268
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61559/files/Ivashechkin_Pavel.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (314110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Abwasserreinigung (frei) ; Wirtschaftlichkeit (frei) ; Spurenstoff (frei) ; Elimination (frei) ; Abwasser (frei) ; embranbioreaktor (frei) ; Mikroschadstoffe (frei) ; Schlammbehandlung (frei) ; wastewater (frei) ; trace pollutants (frei) ; elimination (frei) ; treatment costs (frei) ; membrane (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Kommunales Abwasser enthält neben Feststoffen, Sauerstoff zehrenden Verbindungen und Nährstoffen eine große Anzahl organischer Spurenstoffe. Hierzu gehören Industriechemikalien, Pestizide, Arzneiwirkstoffe, natürliche und synthetische Hormone sowie Bestandteile von Körperpflegemitteln. Schon in sehr niedrigen Konzentrationen (ng/L bis µg/L) können einige dieser Substanzen negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Dies kann sich beispielsweise in toxischen, kanzerogenen und/ oder endokrinen Wirkungen von Kläranlagenabläufen auf aquatische Lebewesen äußern. Bei der Planung und dem Betrieb kommunaler Abwasserbehandlungsanlagen wurde bisher jedoch keine gezielte Elimination gefährlicher organischer Stoffe angestrebt. Auf Grund der Anforderungen der EG-Wasserrahmenrichtlinie an den Zustand europäischer Oberflächengewässer könnte sich dies zukünftig ändern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden von den etwa 500 von den Landesumweltämtern regelmäßig erfassten organischen Spurenstoffen 52 als umweltrelevant eingestuft, da diese Stoffe in Kläranlagenabläufen und Gewässern Deutschlands die entsprechenden Zielwerte überschritten haben. Da es nicht möglich war, alle 52 relevanten Spurenstoffe bezüglich ihres Verhaltens während der Abwasserreinigung näher zu untersuchen, wurden als Modellspurenstoffe die Industriechemikalien Nonylphenol und Bisphenol A, das natürliche Hormon 17b-Estradiol und das künstliche Steroid 17a-Ethinylestradiol bestimmt. Als Auswahlkriterien dienten die unterschiedliche biologische Abbaubarkeit und Flüchtigkeit dieser Stoffe sowie ihre Affinität zum Klärschlamm. Das Verhalten der Modellspurenstoffe bei der mechanisch-biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung wurde sowohl in halbtechnischen Kläranlagen als auch in Sorptions- und Abbauversuchen mit radioaktiv markierten Stoffen im Labormaßstab untersucht. Hierbei wurde der biologische Abbau als Hauptweg der Elimination identifiziert. Da bei dem biologischen Abbau der Modellspurenstoffe neben Kohlendioxyd einige unbekannte Metabolite entstanden sind, besteht weiterhin ein großer Forschungsbedarf zur Risikoabschätzung für die Abbauprodukte. Die Beurteilung der Eliminationsleistung verschiedener Kläranlagenkonfigurationen erfolgte mit Hilfe der Versuchsergebnisse und eines im Rahmen der Arbeit entwickelten mathematischen Modells. Eine konventionelle Belebungsanlage mit simultaner aerober Schlammstabilisierung hat die beste Leistung bezüglich der Elimination der Modellspurenstoffe aufgewiesen. Es folgten die Membranbelebungsanlagen mit simultaner aerober sowie mit getrennter anaerober Schlammstabilisierung. Die niedrigste Eliminationsleistung war für eine konventionelle Belebungsanlage mit getrennter anaerober Schlammstabilisierung zu verzeichnen. Die Nachschaltung eines Sandfilters konnte keinen bedeutenden Beitrag zur Elimination der Modellspurenstoffe in konventionellen Belebungsanlagen leisten. Da einige organische Spurenstoffe wie 17a-Ethinylestradiol und der Arzneimittelwirkstoff Carbamazepin gemäß der Modellabschätzungen in keiner der betrachteten Anlagenkonfigurationen ausreichend zurückgehalten werden, wurden 16 verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Spurenstoffelimination bezüglich ihrer Leistung und Wirtschaftlichkeit bewertet. Für kleinere Anlagen (bis 5.000 E) eignete sich besonders die Zugabe pulverisierter Aktivkohle ins Belebungsbecken. Für größere Kläranlagen war eine Ozonisierung als nachgeschaltete Verfahrensstufe vorzuziehen. Je nach Größe der Kläranlage würden diese Maßnahmen die Abwasserbehandlungskosten um 20-35% (0,07-0,18 €/m³) erhöhen.

Municipal wastewater contains, along with suspended solids, oxygen consuming compounds and nutrients, a great number of organic trace pollutants. These are industrial chemicals, pesticides, pharmaceuticals, natural and synthetic hormones, as well as ingredients of personal care products. Even in very low concentrations (ng/L to µg/L) some of these compounds can already have a negative impact on the environment. The impact can manifest itself for example in toxic, carcinogenic and/or endocrine effects of wastewater treatment plant effluents in aquatic organisms. Nevertheless, the elimination of organic trace pollutants has not been taken into consideration yet, neither in design nor during the operation of municipal wastewater treatment plants. On the basis of the European Water Framework Directive requirements on the quality of surface waters, some changes in this attitude are to expect in the future. This study examines around 500 organic trace pollutants which are continuously monitored by the federal environmental agencies. It shows that 52 compounds are relevant for the environment, because their concentrations in wastewater treatment plant effluents and surface waters in Germany have exceeded the target values. Due to the impossibility of studying the behaviour of all 52 relevant trace pollutants during the wastewater treatment, the industrial chemicals nonylphenol and bisphenol A, natural hormone 17b-estradiol and synthetic steroid 17a-ethinylestradiol were appointed as model compounds. The criteria of choice were different biological degradation and volatilisation rates, as well as different affinity to sewage sludge. The behaviour of the model trace pollutants during the mechanic-biological treatment of wastewater and sewage sludge was studied in pilot wastewater treatment plants and in laboratory sorption and degradation experiments with radiolabelled compounds. In these experiments biodegradation was identified as the main elimination pathway. By the biodegradation of the model compounds carbon dioxide and some unidentified metabolites were generated. Further research is required to perform a risk assessment of the biodegradation products. The evaluation of elimination efficiency of various wastewater treatment plant configurations was performed using the experiment results and the mathematical model developed in this study. A conventional activated sludge plant with simultaneous aerobic sludge digestion showed the best elimination efficiency for the model compounds. It was followed by membrane activated sludge plants with simultaneous aerobic and separate anaerobic sludge digestion. The lowest elimination efficiency was observed in a conventional activated sludge plant with separate anaerobic sludge digestion. Sand filtration of the effluents of conventional treatment plants did not contribute significantly to the elimination of the model trace pollutants. Since, according to the mathematical model the studied wastewater treatment plant configurations do not retain some organic trace pollutants like 17a-ethinylestradiol and the pharmaceutical carbamazepine sufficiently, 16 various measures of enhancing the elimination of trace pollutants were assessed with respect to their technical and economical efficiency. For the smaller wastewater treatment plants (up to 5,000PE) the addition of pulverised activated carbon into the aeration tank was especially suitable. Ozonation as a downstream treatment stage was the choice for the larger plants. In dependence of the plant capacity this measures would increase the treatment costs by 20-35% (0.07-0.18€/m³).

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