Advanced wastewater treatment by nanofiltration and activated carbon for high quality water reuse

Kazner, Christian; Melin, Thomas

doi:999910269791

Advanced wastewater treatment by nanofiltration and activated carbon for high quality water reuse = Weitergehende Abwasserreinigung durch Nanofiltration und Aktivkohle für hochwertige Wasserwiederverwendung

Kazner, Christian (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Kazner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangXVIII, 186 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Melin, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-09-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42306
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/65381/files/4230.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik und Institut für Verfahrenstechnik (416110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Nanofiltration (Genormte SW) ; Aktivkohle (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; hochwertige Wasserwiederverwendung (frei) ; Membranhybridverfahren (frei) ; organische Spurenstoffe (frei) ; Entfernung von Massenorganik (frei) ; high quality water reuse (frei) ; activated carbon (frei) ; membrane hybrid processes (frei) ; organic micropollutants (frei) ; bulk organic removal (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Verschiedene Hybridverfahren in Kombination von Aktivkohle und Nanofiltration wurden für den Einsatz in der weitergehenden Abwasserbehandlung zur hochwertigen Wasserwiederverwendung untersucht. Mit Schwerpunkt auf der Entfernung von Massenorganik und organischen Spurenstoffen wurden drei vielversprechende Verfahrenskombinationen identifiziert: Pulveraktivkohle gefolgt von Nanofiltration (PAK/NF), granulierte Aktivkohle gefolgt von Nanofiltration (GAK/NF) und Nanofiltration gefolgt von granulierter Aktivkohle (NF/GAK). Die Entfernungsleistung der Prozesse wurde im Labor- und Pilotmaßstab für eine Reihe von refraktären Pharmazeutika und Industriechemikalien studiert, die üblicherweise im Abwasser in Spurenkonzentrationen im Bereich von ng/L bis µg/L nachgewiesen werden. Der Verbleib der Massenorganik von Kläranlagenablauf wurde mittels Fluoreszenz-Spektroskopie betrachtet. Die optimalen Betriebsstrategien zur Umsetzung der Prozesse wurden im Pilotmaßstab bestimmt. Die Versuche wurden auf der Kläranlage Aachen-Soers durchgeführt, deren Ablauf eine hohe Qualität mit DOC-Konzentrationen von etwa 5 mg/L aufweist. Im Vergleich zu den Einzelverfahren, Nanofiltration oder Adsorption, lieferten alle drei Hybridverfahren deutlich bessere Produktwasserqualität mit DOC-Konzentrationen unterhalb von 0,5 mg/L und organischen Spurenstoffkonzentrationen nahe oder kleiner der Bestimmungsgrenze. Falls eine weitgehende Entsalzung nicht erforderlich ist, bilden Nanofiltration-Aktivkohle-Hybridverfahren eine verlässliche und wirtschaftliche Alternative zu Doppel-Membranverfahren bestehend aus Ultrafiltration und Umkehrosmose, die den Stand der Technik darstellen. Die untersuchten Hybridverfahren sind gut geeignet für den Einsatz in der hochwertigen Wasserwiederverwendung. Aufgrund der geringeren Filtrationsdrücke weisen die Prozesse einen niedrigeren Energieverbrauch auf und produzieren weniger problematische Konzentrate, die im wesentlichen aus Organika und füllbaren, mehrwertigen Ionen bestehen. Es ergeben sich zudem einige Vorteile bei der indirekten Wiederverwendung von Kläranlagenablauf zur Trinkwassergewinnung, z.B. bei der künstlichen Grundwasseranreicherung, da der Salzgehalt des Produktwassers dem natürlicher Wässer ähnlicher ist als das Permeat von Umkehrosmoseanlagen. Die optimale Kombination von Nanofiltration und Aktivkohle hängt von den lokalen Rahmenbedingungen ab, wie beispielsweise Anlagengröße, Rohwassercharakteristik und Anlagenstandort. Angesichts wachsender Wasserknappheit und der Spurenstoffproblematik hat die Kombination von Aktivkohlebehandlung und Nanofiltration das Potential in einer zunehmenden Zahl von Fällen eingesetzt zu werden.

Hybrid processes combining activated carbon and nanofiltration have been studied to identify the optimum solution for advanced wastewater treatment in high quality water reclamation and reuse. With a focus on the removal of bulk and trace organic compounds the investigation identified three promising process combinations, namely powdered activated carbon followed by nanofiltration (PAC/NF), granular activated carbon followed by nanofiltration (GAC/NF) and nanofiltration followed by granular activated carbon (NF/GAC). The removal potential was examined in lab and pilot scale for a range of refractory pharmaceuticals and industrial chemicals typically detected in effluent in trace concentrations ranging from ng/L to ìg/L. Fluorescence excitation emission spectroscopy was employed for the investigation of the fate of effluent organic matter. The optimum strategies for operation of the hybrid processes were determined in pilot scale. The experiments were conducted at the Wastewater Treatment Plant Aachen Soers providing an effluent of high quality with low dissolved organic carbon (DOC) concentrations of about 5 mg/L. In comparison to a single stage NF or a single adsorption stage, all three hybrid processes provide a superior product quality with DOC concentrations clearly below 0.5 mg/L and organic micropollutant concentrations close or below the limit of quantification. If a high degree of salinity removal is not required, nanofiltration-activated carbon hybrid processes can be regarded as a reliable and economic alternative to dual membrane processes (ultrafiltration and reverse osmosis). They are well suited for high-grade water reuse applications. Due to lower filtration pressures the hybrid processes feature lower energy consumption and produce less problematic concentrates mainly consisting of organics and multivalent ions which can be precipitated. They feature also some advantages in indirect potable reuse applications such as managed aquifer recharge since the salt content of the product water is closer to natural conditions. The optimum combination of nanofiltration and activated carbon depends on local boundary conditions such as size of plant, raw water characteristics and plant location. In the light of growing water scarcity and increasing concerns about organic micropollutants activated carbon treatment in combination with nanofiltration has the potential to be applied in an increasing number of cases.

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