54. Einsatz von granulierter Aktivkohle auf der Klä ranla-ge Düren

Frank Benstöm, Aachen Thomas Rolfs, Hermann Stepkes, Düren

David Montag, Johannes Pinnekamp, Aachen

Einleitung und Zielstellung

Seit einigen Jahren ist die Existenz von Spurenstoffen in den Abläufen kommunaler Kläranlagen mehr und mehr ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt. Vor diesem Hin-tergrund wird der Einsatz von Aktivkohle derzeit einer erneuten Bewertung hinsicht-lich erzielbarer Eliminationsleistungen und Wirtschaftlichkeit unterzogen. Neben dem Effekt der Spurenstoffelimination ist eine Verringerung des CSB im Ablauf unter den Schwellenwert des Abwasserabgabengesetztes (20 mg/l) ein Anreiz, den Einsatz von Aktivkohle in der Abwasserreinigung zu untersuchen. Sinnvoll kann es dabei sein, die Synergien von granulierter Aktivkohle (GAK) mit den vorhandenen Bauwer-ken – z. B. Flockungsfilter – zu nutzen.

Bereits in den 1960er Jahren wurde in Amerika und Südafrika kommunales Abwas-ser zur CSB-Elimination über granulierte Aktivkohle (GAK) gefiltert (KIENLE und BÄ-DER, 1979). In Deutschland führte z. B. WICHMANN (1979) Versuche zur weiterge-henden Abwasserreinigung mittels GAK durch. Die Filtration von kommunalem Ab-wasser über GAK hat sich jedoch bis heute in Deutschland nicht durchgesetzt, da die bisherigen Anforderungen an die Ablaufwerte in der Regel auch ohne Adsorptionsfilt-ration erreicht werden konnten. Halb- und großtechnische Versuche mit Fokus auch oder insbesondere auf Spurenstoffelimination in Deutschland und den Niederlanden wurden bislang u. a. von FAHLENKAMP et al. (2008), NOWOTNY (2008), STOWA (2009a), STOWA (2009b), ALT und BARNSCHEIDT (2012) und KNOPP (2012) durchgeführt.

Das auf der Kläranlage Düren-Merken zu behandelnde Abwasser ist stark durch die im Einzugsbereich der Kläranlagen Düren ansässige Industrie geprägt und hat im Ablauf der Filtration noch einen relativ hohen Rest-CSB. Bis Ende 2012 werden vor Ort großtechnische Versuche mit GAK durchgeführt, um diesen CSB weiter zu redu-zieren und Erfahrungen im Umgang mit GAK unter den gegebenen Betriebsbedin-gungen zu gewinnen. Dazu wurde in einer der zwölf Filterzellen das vorhandene Fil-termaterial gegen GAK ausgetauscht.

Ebenso wird im Rahmen des vom Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirt-schaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen geförderten Forschungsvorhabens „MIKROFLOCK – Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen ins-besondere kommunaler Flockungsfiltrationsanlagen durch den Einsatz von Aktivkoh-le“ die Eliminationsleistung dieser GAK-Filterzelle im Hinblick auf verschiedene Spu-

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, Aachen 2012, IS

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renstoffe betrachtet. Diese Ergebnisse sind jedoch nicht Gegenstand der folgenden Ausführungen.

Theoretische Grundlagen

Die Verwendung von GAK hat – optimale Randbedingungen wie z. B. zur Verfügung stehende Kontaktzeit vorausgesetzt – gegenüber pulverisierter Aktivkohle (PAK) fol-gende, prinzipbedingte Vorteile (SONTHEIMER et al., 1988):

• Erreichung höherer spezifischer Beladungen • Regeneration möglich • Geringerer Verfahrenstechnischer Aufwand

Zudem ist kein zusätzlicher Einsatz von Fällungs- / Flockungsmitteln erforderlich.

Eine Parallelschaltung von GAK-Filtern führt zu einer deutlich besseren Ausnutzung der verwendeten GAK und damit zu einer längeren durchschnittlichen Standzeit, so-fern immer die höchstbeladene GAK gegen unbeladene GAK ausgetauscht wird (SONTHEIMER et al., 1988). Dieses Vorgehen liegt darin begründet, dass durch den sukzessiven Austausch der GAK ein Teil der Filter immer unterhalb des geforderten Ablaufgrenzwertes betrieben wird. Da jedoch nur die Mischung aus allen Filterabläu-fen den geforderten Grenzwert unterschreiten muss, kann so ein Teil der Filterzellen oberhalb des zulässigen Grenzwerts betrieben werden. Damit kann eine maximale Beladung der GAK bei gleichzeitiger Einhaltung des geforderten Grenzwertes er-reicht werden. ROBERTS und SUMMERS (1982) konnten durch Integration einer gemessenen TOC-Durchbruchskurve zeigen, dass durch Verwendung von 10 paral-lel geschalteten Filtern die durchschnittliche Standzeit gegenüber einem Einzelfilter verdoppelt werden kann. Eine direkte Übertragung der aus dem Betrieb eines Einzel-filters ermittelten Durchbruchskurven auf den in der Regel auf Großanlagen vorzufin-denden Parallelbetrieb von Filtern ist somit nicht zulässig. Vielmehr muss basierend auf den ermittelten Durchbruchskurven und der späteren Anzahl der Filter im Paral-lelbetrieb eine Umrechnung erfolgen.

Zur Verwendung von GAK auf kommunalen Kläranlagen können der Nachklärung entweder Druckkessel- oder Schwerkraftfilter nachgeschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bereits bestehende Flockungsfilter durch Austausch des vorhandenen Filtermaterials durch GAK zur Kohlenstoff- und Spurenstoffelimination umzurüsten. Dadurch könnten Investitionskosten für neue Filter eingespart werden. In NRW ist dieser Ansatz von besonderem Interesse, da bezogen auf die Anschluss-größe ca. 60 % der deutschen Flockungsfilter in NRW betrieben werden (SCHRÖ-DER, 1998). Aktuell sind 87 Flockungsfilteranlagen auf den Kläranlagen in NRW in Betrieb (LANUV, 2012).

Die für die Umrüstung in Frage kommende GAK-Körnung für abwärts durchströmte Filter muss insbesondere 2 Kriterien erfüllen:

• weiterhin gute Feststoffelimination (nicht-lösliche Stoffe) • gute Kohlenstoff- und Spurenstoff-Elimination (lösliche Stoffe)

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Zur Feststoffelimination werden bei der klassischen abwärtsgerichteten Abwasserfilt-ration in offenen, drucklosen Filterzellen zumeist zwei Filterschichten unterschiedli-cher Dichte verwendet. Um ein tiefes Eindringen der zu entfernenden Partikel in das Filterbett zu ermöglichen und damit die Filterkapazität bis zur nächsten Rückspülung optimal zu nutzen, wird eine grobe Körnung für die obere Filterschicht (z. B. Bläh-schiefer oder Hydroanthrazit) verwendet. Die darunter liegende Schicht feinerer Kör-nung (z. B. Sand) gewährleistet dann die Entfernung der Restverschmutzungen, die sich durch die gröbere Filtermaterialschicht nicht entfernen ließen.

Zur reinen Kohlenstoff- und Spurenstoffelimination ist hingegen eine GAK als Filter-schicht mit möglichst feiner Körnung vorteilhaft, da so die Kontaktoberfläche zur Ad-sorption der gelösten Stoffe maximiert wird. Bei (zu) feiner Körnung können die zu-sätzlich zu entfernenden Feststoffpartikel jedoch nicht sehr tief ins Filterbett eindrin-gen. Das führt zu einer verstärkten Oberflächenfiltration und damit zu einer häufige-ren Rückspülung aufgrund von zu hohen Druckverlusten im Filter. Die Auswahl der GAK-Körnung zur Umrüstung eines abwärts durchströmten Filters von der ursprüng-lich reinen Feststoffelimination auf zusätzliche Kohlenstoff- und Spurenstoff-elimination stellt somit einen Kompromiss zwischen o. g. Punkten dar.

Material und Methoden

Abwasserfiltration auf der KA Düren

Die Ausbaugröße der Kläranlage Düren-Merken des Wasserverbands Eifel Rur (WVER) beträgt 310.000 E. Das Abwasser ist durch industrielle Einleiter geprägt, die einen bedeutenden Teil zur organischen Belastung beitragen. Seit 1992 wird auf der Kläranlage Düren ein Mehrschicht-Flockungsfilter betrieben, der eine weitergehende Feststoffentnahme hinter der Nachklärung bewirkt. Es handelt sich hierbei um zwölf abwärts durchströmte, offene Betonfilterzellen mit einer Fläche von jeweils 37,5 m². Die Abführung des Schlammwassers der Rückspülung erfolgt über eine einseitig an-geordnete Spülrinne. Die Filterschichten setzten sich gemäß Planungsunterlagen aus dem Jahr 1992 von oben nach unten aus Blähschiefer (1,4 – 2,5 mm; h = 1,2 m) und Sand (0,71 – 1,25 mm; h = 0,5 m) zusammen. Unterhalb der eigentlichen Filter-schichten befinden sich zwei Kiesschichten (jeweils 0,1 m mit 3,15 – 5,6 mm bzw. 5,6 – 8 mm), die das Filterbett tragen (Stützschicht).

Der Filter ist für einen maximalen Durchsatz von 6.000 m³/h ausgelegt. Die automati-sche Steuerung des Filters über das Prozessleitsystem (PLS) genügt folgenden Kri-terien:

• Alle Filterzellen haben die gleiche Überstauhöhe, da sie über ein gemeinsames Zulaufgerinne nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren mit Rohwasser versorgt werden.

• Der Durchfluss wird bei allen beschickten Filterzellen auf den gleichen Wert über einen separaten Schieber im Ablaufrohr jeder Filterzelle geregelt.

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• Bei Unterschreitung des Durchsatzes von 200 m³/h pro Filterzelle durch geringen Filterzulauf werden solange einzelne Filterzellen außer Betrieb gesetzt, bis der Durchsatz je Filterzelle den Wert von 200 m³/h stabil überschreitet.

• Bei Überschreitung des Durchsatzes von 300 m³/h pro Filterzelle durch erhöhten Filterzulauf werden sukzessive außer Betrieb genommene Filterzellen wieder in Betrieb genommen. Wenn bereits alle Filterzellen in Betrieb genommen sind, wird der Durchfluss der Filterzellen durch Öffnen der Ablaufschieber so lange gestei-gert, bis maximal 6.000 m³/h über den Filter abgeführt werden können.

Nach einer gewissen Laufzeit müssen die Filterzellen zur Entfernung der in ihnen abgeschiedenen Feststoffe und damit zur Wiederherstellung der Filterleistung rück-gespült werden. Dazu wird die zu spülende Filterzelle mittels Schieber vom Zulaufge-rinne getrennt. Das in der Filterzelle vorhandene Wasser wird abfiltriert bis sich der Überstau unterhalb der Spülrinne bzw. kurz oberhalb des Filtermaterials befindet. Die Spülung erfolgt zunächst mit Luft zum Aufbrechen der Verblockungen und anschlie-ßend mit Wasser zum Austrag der Verschmutzungen über die Spülrinne, die sich an einer Seite einer jeden Filterzelle befindet. Ausgelöst wird die Filterspülung, sobald eines der folgenden Kriterien erfüllt wird:

• Zeitkriterium: Filtrationszeit länger als 16 h

• Mengenkriterium: Filtrierte Menge größer als 6.000 m³

• Druckkriterium: Da der Druckabfall im Filterbett auch von der Filtrationsge-schwindigkeit abhängig ist, bildet das Leitsystem den Quotienten aus Differenz-druck im Filterbett und aktueller Filtrationsgeschwindigkeit, den sogenannten Ver-schmutzungsgrad. Dieser darf 0,5 mbar/m³h-1 nicht überschreiten.

Der Flockungsfilter wurde ursprünglich zum kontinuierlichen Betrieb mit dem Fäll-/ Flockungsmittel Eisen-(III)-Chlorid vorgesehen. Inzwischen ist jedoch aufgrund der Abwasserzusammensetzung eine reguläre Eisen-Dosierung nicht erforderlich, um die geforderten Grenzwerte einzuhalten.

Messstellen und Analytik

Für die Versuche wurden zwei der insgesamt zwölf baugleichen Filterzellen aufgrund ihrer guten Zugänglichkeit ausgewählt. Eine Zelle wird als Referenz-Filterzelle be-trieben und erhielt dazu die gleiche Mess- und Probenahmetechnik wie die GAK-Filterzelle (Bild 1 und Tabelle 1).

Für die Analytik der hier untersuchten elf unterschiedlichen Spurenstoffe, die zuvor projektübergreifend festgelegt wurden, wurden Probennehmer an den Messstellen MF1, MF2 und MF3 installiert. Diese entnehmen 2 x je Woche eine zeitproportionale 24 h-Mischprobe. Eine dieser Proben wird direkt in die Spurenstoffanalytik des Um-weltanalytischen Laboratoriums des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen (ISA) gegeben, die andere Probe als Rückstellprobe (tiefgekühlt auf gefriergetrockneter SPE-Kartusche) zur ggf. späteren Analyse eingelagert.

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Bild 1: Lage der Messstellen für GAK- und Referenz- Filterzelle

Tabelle 1: Analysenplan

Messstellen Parameter Einheit Verfahren

Spurenstoffe* ng/l 24h-Mischprobe (ISA-Labor)

AFS mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor)

Trübung NTU Online

DOC mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor)

CSBfilt mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor)

CSBhom mg/l Online und 24h-Mischbrobe (WVER-Labor)

Gesamt-P mg/l 24h-Mischprobe (WVER-labor)

MF1 (Zulauf) MF2 und MF3 (Filtrate)

Reinwassermenge m³ Online

MR2 - MR3 Rückspülwasser Spülwassermenge m³ Online

Filterbetthöhe nach Spülung m Lotung

Glühverlust - Entnahme mit Sauger in 5 verschiedenen Tiefen

MM2 - MM3 Filtermaterial

Sieblinie - Entnahme mit Sauger in 5 verschiedenen Tiefen

* Carbamazepin, Diclofenac, Metroprolol, Sulfamethoxazol, Benzotriazol, Amidotrizoesäure, Bisphenol A, PFT (PFOS und PFOA), TCPP und EDTA

Zudem werden Standardabwasserparameter gemäß Tabelle 1 vom WVER-Labor analysiert. An den Messstellen MF1 bis MF3 wurde zudem je eine Multispektrome-tersonde installiert, die DOC, CSBfilt, CSBhom und AFS online misst. Die Trübung wird kontinuierlich nach dem IR-Streuchlichtverfahren mit Onlinesonden dokumentiert.

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Über das Leitsystem werden weiterhin die Volumenströme an MF1 bis MF3 sowie die des Rückspülwassers MR2 und MR3 aufgezeichnet. Außerdem werden Filter-materialproben mit Hilfe eines Saugers in Anlehnung an LENS (2011) entnommen und zur Glühverlust- und Sieblinienbestimmung herangezogen (MM2 und MM3), um die Schichtung des Filtermaterials sowie mögliche Änderungen über die Betriebszeit zu dokumentieren.

Umrüstung einer Filterzelle auf GAK

Anfang Juni 2011 wurde eine der zwölf Filterzellen auf GAK umgerüstet. Dazu wurde das bisherige Filtermaterial soweit mittels eines Saugfahrzeugs entfernt, dass neben der ursprünglichen Stützschicht aus Fein- und Grobkies noch 40 cm des alten Filter-materials in der Filterzelle verblieben, um ein mögliches Durchbrechen von Feststof-fen zu vermeiden (Bild 2). Die insgesamt 23 t der 1. GAK (Tabelle 2) in der Körnung 1,4 – 2,5 mm wurden in Big-Bags angeliefert und mit Hilfe eines Autokrans gleich-mäßig in der Filterzelle in einer Mächtigkeit von 1,2 m verteilt. Anschließend wurde die GAK vor Inbetriebnahme mehrere Tage gewässert, damit sich die offenen Poren-räume der GAK mit Wasser füllen konnten. So wurde ein Verlust der GAK durch Auf-trieb bei der ersten Rückspülung minimiert.

Bild 2: Aufbau der Filterschichten

Ende September 2011 wurde die 1. GAK mittels Saugfahrzeug entfernt und seitens des Lieferanten der thermischen Reaktivierung zugeführt. Das alte Filtermaterial wurde bis auf die Stützschicht abgesaugt und zur späteren Wiederverwendung auf der Kläranlage zwischengelagert. Im Anschluss wurde die 2. GAK-Füllung (Bild 2 und Tabelle 2) eingebracht. Es wurden wie bei der 1. GAK 23 t verwendet, die auf-grund der unterschiedlichen Dichten der GAKs eine Filterbetthöhe von ca. 1,5 m er-

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gaben. Auf einen Unterbau aus dem feineren, alten Filterkornmaterial wie bei der 1. GAK wurde verzichtet, da aufgrund der feineren Körnung der 2. GAK hier keine Ver-besserung der Filterleistung erwartet werden kann.

Tabelle 2: Verwendete granulierte Aktivkohlen

Spezifikation 1. GAK 2. GAK Produkt HCR 700 (Fa. CSC) NRS GA 0,5 - 2,5 (Fa. Norit) Typ Steinkohlereaktivat Steinkohlereaktivat Korngröße 1,4 – 2,5 mm 0,5 – 2,5 mm Oberfläche 700 m²/g 975 m²/g Eingebaute Masse 23.000 kg 23.000 kg

Zur Inbetriebnahme der umgerüsteten Filterzelle wurden die Feinkornanteile bei bei-den GAK, die unvermeidlich beim Transport und während des Einbaus entstehen, mittels gezielter Inbetriebnahmespülung aus der Filterzelle entfernt. Bei der 1. GAK (1,4 – 2,5 mm) wurde dazu eine Wasserspülung mit einer Geschwindigkeit von 10 m/h eingeleitet, die sukzessiv in 5 m/h Schritten bis auf 60 m/h gesteigert wurde. Die einzelnen Spülgeschwindigkeiten wurden jeweils so lange beibehalten, bis das Rückspülwasser klar wurde. Die 2. GAK-Füllung (0,5 – 2,5 mm) wurde ebenso in Be-trieb genommen, die maximale Spülgeschwindigkeit betrug jedoch aufgrund der fei-neren Körnung nur 50 m/h. Bei beiden GAK konnte bei maximaler Rückspülge-schwindigkeit (60 bzw. 50 m/h) während der Inbetriebnahme punktuell ein Austrag von GAK-Körnern festegestellt werden.

Die automatische Rückspülung der GAK-Filterzelle für den regulären Betrieb nach Inbetriebnahme wurde aufgrund der halbtechnischen Vorversuche am ISA (BOR-NEMANN et al., 2011), der Herstellerangaben, der Beobachtungen bei Inbetrieb-nahme sowie der Erfahrungen des Betriebspersonals der Kläranlage Düren einge-stellt. Die Wasserspülung wurde für die 1. GAK auf 50 m/h und für die 2. GAK auf 30 m/h festgesetzt. Die Luftspülung wurde hinsichtlich ihrer Intensität für die 1. und 2. GAK-Füllung im Gegensatz zur Referenz-Filterzelle von 70 auf 56 m/h reduziert, um die Abrasion der GAK zu minimieren.

Ergebnisse

Ein Teil der bisherigen Ergebnisse aus dem Betrieb einer großtechnischen Abwas-serfilterzelle mit zwei unterschiedlichen GAK (Bild 2) seit Juni 2011 wird im Folgen-den dargestellt. Zuerst werden die Siebanalysen von Filtermaterialproben aus unter-schiedlichen Tiefen und über die Betriebsdauer der 1. GAK dargestellt. Anschließend wird die erzielte Feststoff- und CSB-Elimination der Referenz-Filterzelle den beiden GAK vergleichend gegenübergestellt.

Filtermaterial

In Bild 3 sind die Siebanalysen aus vier verschiedenen Filterbetttiefen für die 1. GAK

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unmittelbar nach Inbetriebnahme und nach 13 Wochen Filterzellenbetrieb dargestellt. Die Filtermaterialproben wurden mittels Sauger jeweils unmittelbar nach erfolgter Rückspülung aus dem Filter entnommen.

Bild 3: Siebanalysen der 1. GAK (Messstelle MM3) in vier verschiedenen

Tiefen nach Inbetriebnahme (o.) und nach 13 Wochen Betrieb (u.)

Es zeigt sich, dass sich prinzipiell Anteile jeder der drei Kornfraktionen I, II und III in allen Filterschichttiefen wiederfinden. Kornfraktion II stellt dabei in jeder Filterschicht die größte Fraktion dar. In der geringsten Filterbetttiefe ist der Anteil der feinsten Kornfraktion I in beiden Siebanalysen am höchsten und nimmt mit der Filterbetttiefe ab. In der größten Filterbetttiefe ist der Anteil der gröbsten Kornfraktion III in beiden Siebanalysen am höchsten.

Vergleicht man die Siebanalyse der Filterschichten nach Inbetriebnahme mit der nach 13 Wochen Betrieb, so zeigt sich insgesamt eine Abnahme der feinsten Korn-fraktion I. Dies ist wahrscheinlich auf einen weiteren Austrag von Feinkorn trotz er-folgter Inbetriebnahmespülung zurückzuführen. Eine Abnahme der gröbsten Korn-fraktion, die auf Abrasion der GAK hindeuten würde, ist hingegen nicht erkennbar. Zieht man weiterhin in Betracht, dass die Filterbetthöhe über den Betriebszeitraum von 13 Wochen im Rahmen der Messgenauigkeit von ca. 10 mm konstant geblieben ist (nicht aus Bild 3 ersichtlich), so lässt sich feststellen, dass es innerhalb des Be-

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trachtungszeitraums von 13 Wochen Betrieb (ca. 12.000 durchgesetzte Bett-volumina) nicht zu einer maßgeblichen Abrasion der GAK gekommen ist. Das lässt sich insbesondere dadurch erklären, dass die hier eingesetzte GAK mit mittlerem Aktivierungsgrad auf Steinkohlebasis eine relativ hohe spezifische Härte z. B. im Vergleich zur einer GAK auf Braunkohlebasis aufweist.

Feststoff-Elimination

In Bild 4 sind die abfiltrierbaren Stoffe (AFS) des Zulaufs der Filterzellen, des Ablaufs der Referenz-Filterzelle sowie des Ablaufs der GAK-Filterzellen mit beiden GAK-Füllungen dargestellt. Dabei wurden die Betriebszeiträume der 1. GAK und der 2. GAK unterschieden.

Bild 4: Elimination abfiltrierbarer Stoffe (AFS)

Es zeigt sich, dass die AFS im Zulauf des Filters insgesamt einen Schwankungsbe-reich zwischen unter 15 bis über 40 mg/l aufweisen. Die Mediane liegen bei 19,9 mg/l im 1. und bei 22,1 mg/l im 2. Betriebzeitraum und sind damit für den Ablauf einer Nachklärung vergleichsweise hoch.

Die Referenz-Filterzelle zeigt in beiden Betriebszeiträumen eine Feststoff-Elimination von fast 85 % in Bezug auf ihre AFS-Mediane von 3,3 mg/l respektive 3,7 mg/l. So-wohl die 1. als auch die 2. GAK zeigen eine der Referenz-Filterzelle sehr ähnliche Feststoffelimination mit Medianen von 3,7 mg/l und 3,5 mg/l. Damit lässt sich feststel-

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len, dass die Feststoff-Elimination mit den unterschiedlichen GAK 1 und 2 wie bei der Referenz-Filterzelle erhalten bleibt.

In Bild 5 ist die Dauer der Filtrationszyklen bis zur automatischen Rückspülung, aus-gelöst durch das Druckkriterium, dargestellt. Die Referenz-Filterzelle muss demnach aufgrund des Druckabfalls nach 13,6 h (Median) rückgespült werden.

Bild 5: Dauer der Filtrationszyklen bis zur Auslösu ng der automatischen Rückspülung durch das Druckkriterium

Die 1. GAK zeigt einen längeren und damit in Hinblick auf die seltener durchzu-führende Rückspülung vorteilhafteren Filtrationszyklus von 21,6 h. Hingegen musste die 2. GAK mit der feineren Körnung mit dem voreingestellten Druckkriterium von 0,5 mbar/(m³h-1) bereits nach 2,2 h zurückgespült werden. Die Rückspüldauer (inklu-sive Überstaubabsenkung, Laufzeiten der Schieber und eigentliche Luft- und Was-serspülungen) beträgt etwa 0,5 h. D. h., dass sich die GAK-Filterzelle mit der 2. GAK mit einem Druckkriterium von 0,5 mbar/(m³h-1) ca. ¼ ihrer Betriebszeit im Spülpro-zess befindet. Das Druckkriterium wurde daraufhin für die GAK-Filterzelle auf 0,7 mbar/(m³h-1) erhöht, um eine längere Laufzeit der Filterzelle zu bewirken, so dass die Filterzelle den regulären Betrieb durch häufiges Rückspülen nicht beeinflusst. Nach Anpassung des Druckkriteriums stieg die Filtrationsdauer auf 6 h.

Bild 4 und Bild 5 zeigen, dass GAK 1 und GAK 2 im Vergleich zu der Referenz-Filterzelle weiterhin eine gute Feststoff-Elimination ermöglichen. Die 2. GAK muss jedoch aufgrund des hohen AFS im Zulauf des Filters sowie ihrer feineren Körnung

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und damit der vorherrschenden Flächenfiltration der Filterzelle sehr häufig rück-gespült werden.

CSB-Elimination

In Bild 6 sind der homogenisierte chemische Sauerstoffbedarf (im Folgenden kurz: CSB) des Zulaufs des Filters sowie des Ablaufs der GAK- und der Referenz-Filterzelle gegen die in der GAK-Filterzelle durchgesetzten Bettvolumina aufgetra-gen.

Bild 6: CSB hom der 1. GAK (mittlere Empty Bed Contact Time EBCT = 11 min bei Q = 250 m³/h, drei Sondenkalibrie rungen sind als Pfeil gekennzeichnet)

An den mit Pfeilen gekennzeichneten Stellen erfolgte eine Nachkalibrierung der Onli-nesonden. Zwischen 4.000 und 7.000 Bettvolumina (BV) kam es bei der 1. GAK zum Ausfall der Onlinesonde des Ablaufs der Referenz-Filterzelle. Die CSB-Werte der GAK-Filterzelle zeigen neben der deutlichen Ausbildung einer Kurve Ausreißer bis zum CSB-Wert der Referenz-Filterzelle. Diese Werte entstehen, wenn die GAK-Filterzelle rückgespült wird, da sich die Onlinesonde im gemeinsamen Rohr für den Ablauf der Filterzelle und den Zulauf des Rückspülwassers befindet.

Der CSB des Filterzulaufs schwankt im Bereich von etwa 40 bis 100 mg/l. Der Ablauf der Referenz-Filterzelle schwankt zwischen etwa 25 und 40 mg/l. Die innerhalb kur-zer Zeit auftretenden CSB-Schwankungen im Filterzulauf bei z. B. 8.000 BV bilden sich auch im Ablauf des Referenzfilters ab, sind jedoch weniger ausgeprägt.

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Der CSB des Ablaufs der GAK-Filterzelle lag unmittelbar nach Inbetriebnahme der Filterzelle bei etwa 5 mg/l. Die zu Beginn hohe Eliminationsleistung ließ sich auch an der Entfärbung des ansonsten mit bloßem Auge klaren, aber gelblichen Ablaufs der Filterzellen erkennen. Die CSB-Werte des GAK-Filterzellenablaufs lagen bis etwa 4.000 durchgesetzten BV unter denen des Referenzfilters. Danach zeigte sich – auch bei hohen Belastungsschwankungen im Zulauf des Filters – ein nahezu identisches Filtrierverhalten beider Zellen in Bezug auf den CSB.

In Bild 7 sind für die 2. GAK analog zu Bild 6 der CSB des Zulaufs des Filters sowie des Ablaufs der GAK- und der Referenz-Filterzelle gegen die Bettvolumina aufgetra-gen. Der CSB des Filterzulaufs schwankt innerhalb der betrachteten Betriebszeit von 0 bis 5.500 BV im Bereich zwischen 45 und 95 mg/l. Der Ablauf der Referenz-Filterzelle schwankt zwischen etwa 30 und 40 mg/l.

Bild 7: CSB hom der 2. GAK (mittlere EBCT = 14 min bei Q = 250 m³/ h)

Der CSB des Ablaufs GAK-Filterzelle liegt bei < 5 mg/l bis etwa 30 mg/l. Der Ver-gleich des Ablaufs GAK-Filterzelle mit dem der Referenz-Filterzelle zeigt, dass sich die CSB-Elimination nach den betrachteten 5.500 BV nur noch unwesentlich vonein-ander unterscheidet. Die Entfärbung des Wassers nach der Inbetriebnahme war ebenso wie bei der 1. GAK mit bloßem Auge erkennbar, hielt jedoch länger an.

Der Vergleich der CSB-Ablaufwerte der 1. und 2. GAK zeigen, dass diese bei der 2. GAK langsamer ansteigen. Dieser Unterschied zeigt sich insbesondere beim Ver-gleich der Betriebszeit bis zu etwa 1.000 BV. Zudem ist bei der 2. GAK auch nach 4.000 durchgesetzten BV noch eine bessere – wenn auch gegenüber dem Ver-suchsstart deutlich reduzierte – CSB-Elimination im Vergleich zur Referenz-Filterzelle erkennbar. Die durch die feinere Körnung häufiger notwendige Rückspülung der 2. GAK wird durch die dichteren Punktwolken oberhalb der CSB-Kurve sichtbar.

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Zusammenfassung und Ausblick

Eine der zwölf Zellen des Flockungsfilters der Kläranlage Düren wurde auf granulier-te Aktivkohle umgerüstet. Ziel war es, den bestehenden, abwärts durchströmten Ab-wasserfilter zu nutzen, um eine weitergehende Kohlenstoffelimination zu erreichen. Gleichzeitig wurde die Elimination von Spurenstoffen untersucht, die jedoch in die-sem Beitrag nicht dargestellt ist. Die GAK-Filterzelle wurde analog zu den weiteren elf Filterzellen (darunter eine Referenz-Filterzelle) unter realen Betriebsbedingungen gefahren.

Durch Bestimmung von Sieblinien in der GAK-Filterzelle in verschiedenen Tiefen un-ter gleichzeitiger Lotung der Filterschichthöhe konnte gezeigt werden, dass für die untersuchte GAK im Betriebszeitraum von 13 Wochen keine messbare Abrasion stattfand. Es zeigte sich die zu erwartende Schichtung des GAK-Filterbettes mit vor-wiegend feinen Filtermaterialanteilen im oberen Bereich des Filters und gröberen im unteren Bereich.

Es konnte gezeigt werden, dass sowohl mit der groben 1. GAK (1,4 – 2,5 mm) als auch mit der feinen 2. GAK (0,5 – 2,5 mm) eine ebenso gute Elimination von ab-filtrierbaren Stoffen erreicht werden konnte wie in der Referenzfilterzelle. Die 1. GAK zeigte im Vergleich zur Referenz-Filterzelle mit altem Filtermaterial verlängerte Filtra-tionsintervalle durch eine bessere Raumfiltrationswirkung. Die 2. GAK zeigte im Ver-gleich zur Referenz-Filterzelle ein deutlich reduziertes Filtrationsintervall, so dass sich die Filterzelle zunächst ca. ein Viertel ihres Betriebs im Spülvorgang befand. Durch Anhebung des Druckkriteriums wurde daraufhin die Rückspülzeit auf kleiner zehn Prozent der Betriebszeit verringert.

Die 1. GAK zeigte ab ca. 4.000 durchgesetzten Bettvolumina die gleiche CSB-Elimination wie die Referenz-Filterzelle. Die 2. GAK zeigte auch nach 5.500 Bettvo-lumina noch eine geringfügig bessere CSB-Elimination. Für eine großtechnische An-wendung mit mehreren Filterzellen können solche, an Hand einer Filterzelle gewon-nen Durchbruchskurven jedoch nicht direkt für eine Kostenermittlung herangezogen werden. Dadurch, dass im realen Großbetrieb Filterzellen in der Regel parallelge-schaltet sind und nicht der Ablauf einer einzelnen Filterzelle einem Grenzwert genü-gen muss, kann die einzelne Filterzelle über ihren Grenzwert hinaus beladen wer-den. Im Einzelfall muss daher durch integrative Betrachtung der Durchbruchskurven mit der Anzahl der Filterzellen im Parallelbetrieb eine Umrechnung erfolgen.

Die Optimierung der Nachklärung mit dem Ziel einen geringeren Feststoffaustrag in den Filterzulauf zu erreichen wäre sinnvoll. Dadurch können auch GAK feinerer Kör-nung Verwendung finden, die in der Regel in der der zur Verfügung stehenden Kon-taktzeit (EBCT) eine bessere Kohlenstoff-Elimination bewirken können. Die Erhö-hung der Kontaktzeit ist an bauliche Bedingungen geknüpft, so dass diese hier nicht durch Vergrößerung der Betthöhe gesteigert werden kann.

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Dank

Das Vorhaben wird mit finanziellen Mitteln des Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MKULNV) gefördert.

Vielen Dank insbesondere an unsere Labor-, Probenahme und Analyse-datenauswerteteams sowie die Aktivkohlelieferanten für den intensiven fachlichen Austausch.

Literatur

ALT, K.; BARNSCHEIDT, I. (2012): Korrespondenz Abwasser – Abfall, Nr. 1, Januar 2012, Hrsg. GFA, Hennef

BORNEMANN, C.; HACHENBERG, M.; KAZNER, C.; HERR, J.; JAGEMANN, P.; LYKO, S.; BENSTÖM;, F.; MONTAG, D.; PLATZ, S.; WETT, M.; KAUB, J. M.; KOLISCH, G.; OSTHOFF, T.; ROLFS, T.; STEPKES, H. (2011): Teilprojekt 5: Ertüchtigung kommunaler Kläranlagen, insbeson-dere kommunaler Flockungsfiltrationsanlagen durch den Einsatz von Aktivkohle. Zwischenbericht, gerichtet an das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucher-schutz des Landes Nordhein-Westfalen, zum 31.5.2011 (unveröffentlicht).

FAHLENKAMP, H.; NÖTHE, T.; NOWOTNY, N.; LAUNER, M. (2008): Untersuchungen zum Eintrag und zur Elimination von gefährlichen Stoffen in kommunalen Kläranlagen, Phase 3, Abschluss-bericht an das Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, Lehrstuhl Umwelttechnik, Technische Universität Dortmund

KIENLE, H. v.; BÄDER, E (1979): Aktivkohle und ihre industrielle Anwendung, Enke Verlag, ISBN: 3-432-90881-4, Stuttgart

KNOPP, G. (2012): Persönliche Mitteilung, Herr Gregor Knopp, 11.01.2012, Institut IWAR, TU Darm-stadt

LANUV (2012): Persönliche Mitteilung Frau Dr. Karin Dreher, 06.01.2012, Landesamt für Natur, Um-welt und Verbraucherschutz NRW

LENS, G. (2011): Aktivkohlemanagement – neue Ansätze vom Einkauf bis zur Reaktivierung, Gewäs-serschutz – Wasser – Abfall, Band 223, Tagungsband zur 44. Essener Tagung, Hrsg. Pinnekamp, J., Aachen 2011

NOWOTNY (2008): Zur Bestimmung und Berechnung des Adsorptionsverhaltens von Spurenstoffen an Aktivkohle in biologisch gereinigten Abwässern, Dissertation, Fakultät Bio- und Chemie-ingenieurwesen, Technische Universität Dortmund, Shaker Verlag, Aachen

ROBERTS, P. V.; SUMMERS, R. S. (1982): Performance of granular activated carbon for total organic carbon removal, Journal American Water Works Association, vol. 74, no. 2, pp. 113 – 118

SCHRÖDER, M. (1998): Bewertung der Abwasserfiltration als Verfahrensschritt der Kommunalen Abwasserbehandlung, Dissertation an der Fakultät für Bauingenieurwesen der RWTH Aachen, Gewässerschutz – Wasser – Abfall, Band 169, Hrsg. Dohmann, M., Aachen 1998

SONTHEIMER, H.; CRITTENDEN, J. C.; SUMMERS, R. S.; FRICK, B. R.; FETTIG, J.; HÖRNER, G.; HUBELE, C.; ZIMMER, G. (1988): Activated Carbon for Water Treatment, Second Edition, ISBN: 3-922671-20-9, DVGW-Forschungsstelle, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe

STOWA (2009a): Nageschakelde zuiveringstechnieken op de AWZI Leiden Zuid-West – Verkenning actief-kooladsorptie en geavanceerde oxidatietechnieken, Rapport 33, ISBN: 978.90.5773.453.3, Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, Amersfoort, Niederlande

STOWA (2009b): 1-step® filter als effluentpolishingstechniek, Rapport 34, ISBN: 978.90.5773.456.4, Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, Amersfoort, Niederlande

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WICHMANN, K. (1979): Untersuchungen zur weitergehenden Abwasserreinigung durch Aktivkohle-Adsorption unter Berücksichtigung der biochemischen Prozesse, Dissertation am Institut für Sied-lungswasserwirtschaft der Universität Hannover

Anschriften der Verfasser:

Dipl.-Ing. Frank Benstöm Dr.-Ing. David Montag Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) RWTH Aachen University Mies-van-der-Rohe Str. 1 52074 Aachen E-Mail: benstoem@isa.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. Thomas Rolfs Dipl.-Ing. Hermann Stepkes Wasserverband Eifel-Rur (WVER) Eisenbahnstr. 5 52353 Düren E-Mail: thomas.rolfs@wver.de hermann.stepkes@wver.de