Removal of organic micropollutants from wastewater : treatment in selected health care facilities and energy considerations

• Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen aus Abwasser - Behandlung in ausgewählten Einrichtungen des Gesundheitswesens und Betrachtungen zum Energiebedarf

Mousel, Danièle; Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor); Hansen, Joachim (Thesis advisor); Wintgens, Thomas Josef (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Gesellschaft zur Förderung des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen e.V. (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Gewässerschutz, Wasser, Abwasser 255
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIV, 198 Seiten : Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Neben Arzneimittelrückständen, zählen beispielsweise Industriechemikalien, Pestizide und Rückstände von Pflegeprodukten zu den organischen Mikroverunreinigungen, welche üblicherweise im Konzentrationsbereich von ng L-1 bis μg L-1 in der aquatischen Umwelt nachgewiesen werden. Aufgrund der teilweise nachgewiesenen sowie potentiell ökotoxikologischen Wirkungen dieser Stoffe (als Einzelsubstanz und in der Mischung) und der Tatsache, dass diese mit der Abwasserbehandlung nach dem Stand der Technik nur unzureichend entfernt werden, kommen Maßnahmen der weitergehenden Abwasserbehandlung zum Einsatz, um die organischen Mikroverunreinigungen aus dem Abwasser zu entfernen. Häufig kommen Verfahren welche auf Ozon (Oxidation) oder auf Aktivkohle (Adsorption an Pulveraktivkohle oder an granulierter Aktivkohle) basieren, zum Einsatz. Vereinzelt finden auch weitergehende Oxidations- sowie Membranverfahren Anwendung. Die vorliegende Arbeit befasst sich entsprechend mit zwei spezifischen Fragestellungen zur Thematik der Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen aus Abwasser. Die erste Fragestellung widmet sich der separaten Behandlung von Abwasser aus Einrichtungen des Gesundheitswesens zur gezielten Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen. Verfahren der weitergehenden Abwasserreinigung sind bereits für kommunale Kläranlagen und Krankenhäuser in Forschungs- und Pilotprojekten sowie in großtechnischen Anwendungen untersucht worden. Auf kommunalen Kläranlagen werden diese Verfahren üblicherweise der mechanisch-biologischen Behandlung nachgeschaltet. In Krankenhäusern werden diese Verfahren untersucht, da dort eine erhöhte Belastung des Abwassers mit Arzneimittelrückständen, zu erwarten ist. Die separate Behandlung in Krankenhäusern erfordert die zusätzliche Errichtung einer mechanisch-biologischen Kläranlage vor Ort, da üblicherweise das Abwasser der Krankenhäuser in der kommunalen Kläranlage mit behandelt wird. Auch stellt sich die Frage der Direkteinleitung in den Vorfluter oder ob nach der gezielten Entfernung der Mikroverunreinigungen eine weitere Behandlung in der kommunalen Kläranlage stattfinden soll bzw. muss. Neben Krankenhäusern ist auch möglicherweise eine erhöhte Belastung mit organischen Mikroverunreinigungen, insbesondere Arzneimittelrückständen, im Abwasser von anderen Einrichtungen des Gesundheitswesens, wie Fachkliniken oder Pflege- und Altenheimen zu erwarten. Aufgrund des demographischen Wandels ist zudem davon auszugehen, dass der Verbrauch an Arzneimitteln zukünftig ansteigen wird. Deswegen wurde in der vorliegenden Arbeit die separate Behandlung von drei spezifischen Einrichtungen des Gesundheitswesens (psychiatrische Fachklinik, Pflegeheim, orthopädische Fachklinik) mit drei unterschiedlichen Verfahren der weitergehenden Abwassereinigung untersucht. Das jeweilige Abwasser wurde über einen Tag lang gesammelt und zur halbtechnischen Versuchsanlage transportiert. Die mechanisch-biologische Vorbehandlung fand in einem Membranbioreaktor mit einer Ultrafiltrationsmembran statt. Nach einer anschließenden Kühlung wurde das erhaltene Permeat drei unterschiedlichen weitergehenden Verfahren zugeführt. Zur Untersuchung der Adsorption an Aktivkohle wurden drei, aus ursprünglich sechs unter-schiedlichen, ausgewählte Aktivkohlen in sogenannten Rapid Small Scale Column Tests untersucht. Diese Maßstabsverkleinerung erlaubt es Versuche die im großtechnischen Maßstab Wochen bzw. Monate dauern würden innerhalb weniger Tage durchzuführen. Die Ozonung wurde in zwei Blasensäulenreaktoren mit unterschiedlichen Dosiermengen an Ozon und Verweilzeiten untersucht. Zudem kam ein Verfahren der weitergehenden Oxidation zum Einsatz, die Bestrahlung mit UV-Licht und optionaler Zugabe von Wasserstoffperoxid, welches in zwei unterschiedlichen Reaktorgeometrien untersucht wurde. Die untersuchten Verfahren - sowohl die mechanisch-biologische Vorbehandlung als auch die weitergehenden Verfahren - erwiesen sich als zielführend für die Aufgabenstellung. Das UV-Verfahren hat im Vergleich zu den anderen Verfahren einen deutlich höheren Energiebedarf. Die Konzentrationen der im Abwasser untersuchten Arzneimittelrückstände weichen nicht erheblich von denen im kommunalen Abwasser ab und die separate Behandlung erweist sich als spezifisch teurer, so dass in diesen Fall keine allgemeingültige Empfehlung zur dezentralen Behandlung ausgesprochen werden kann. Einzelfallspezifische Betrachtungen sind hier unabdingbar. Die zweite untersuchte Fragestellung ist der Energiebedarf von Verfahren zur Elimination von organischen Mikroverunreinigungen aus Abwasser. Ein zusätzliches Verfahren bedingt einen zusätzlichen Energiebedarf. Die Energiebedarfsdaten von zehn Kläranlagen mit unterschiedlichen Verfahren (Ozonung, Adsorption an Pulveraktivkohle Filtration über granulierte Aktivkohle) wurden ausgewertet und die jeweiligen Einflussfaktoren erörtert. Zusätzlich wurde der Energiebedarf der Verfahren außerhalb der Kläranlage betrachtet. Der Energiebedarf auf der Kläranlage der Ozonung ist deutlich höher als der Energiebedarf der adsorptiven Verfahren. Der ganzheitliche Energiebedarf fällt für die adsorptiven Verfahren jedoch deutlich höher aus, da hier die Herstellung der Aktivkohle mit einfließt. Auch wenn die Datenlage diesbezüglich mit Unsicherheiten behaftet ist, ist die Herstellung von Aktivkohle mit einem hohen Energiebedarf verbunden. Die Verwendung von granulierter Aktivkohle erweist sich als vorteilhaft im Vergleich zur Pulveraktivkohle, da hier auf reaktivierte Kohle zurückgegriffen werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Verfahren, die auf kommunalen Kläranlagen und in Krankenhäusern zum Einsatz kommen auch für andere Einrichtungen des Gesundheitswesens geeignet sind. Weitere Untersuchungen können helfen, diese Verfahren zu optimieren und die Entscheidungsträger bei der Entscheidung zwischen zentraler und dezentraler Behandlung zu unterstützen. Die in der Arbeit aufgeführten Betrachtungen zum Energiebedarf können zu einer verbesserten Planung von Anlagen zur Entfernung von Mikroverunreinigungen beitragen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft [314110]