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Vierte Reinigungsstufe: Stand und Ausblick

Moderne Kläranlagen sind heute in der Regel dreistufig, da zur Abwasserreinigung nacheinander mechanische, biologische und chemische Verfahren eingesetzt werden. Die vierte Reinigungsstufe beschreibt einen zusätzlichen Verfahrensschritt in der Kläranlage, der zur weiteren Reinigung des behandelten Abwassers dient, beispielsweise der Elimination von Mikroschadstoffen.
In Zusammenhang mit der vierten Reinigungsstufe stehen Spurenstoffe und prioritäre Stoffe (LINK), die laut Definition ein signifikantes Risiko für die aquatische Umwelt und folglich auch für das Trinkwasser darstellen. Bei den Spurenstoffen handelt es sich Medikamentenreste, Hormone, Röntgenkontrastmittel und ähnliche Stoffe mit nachweislich schädlicher Wirkung. Mittlerweile wird der vierten Reinigungsstufe im Hinblick auf die Abscheidung von Mikroplastik ebenfalls ein hohes Potenzial zugesprochen.

Technische Umsetzung
Für die Umsetzung der vierten Reinigungsstufe gibt es verschiedene verfahrenstechnische Ansätze. Diese lassen sich allgemein in die Verfahren Ozonierung, Membrantrennverfahren, Adsorption und biologischer Abbau unterteilen. Bedeutend  für das Eliminationsverhalten von Spurenstoffen sind insbesondere Molekülaufbau und -struktur, Polarität/Hydrophobie, Sorptionsverhalten und Abbaubarkeit/Persistenz (J. Kaub und N. Biebersdorf 2014).
Nachfolgend werden die wichtigen Verfahren zur Spurenstoffelimination kurz dargestellt und deren mögliche Eignung in Bezug auf die Abscheidung von Mikroplastik bewertet.

Ozonierung
Die Ozonierung oder Ozonung (Abb. 1), gemeint ist die Oxidation von Abwasserinhaltsstoffen mittels Ozon, zählt zu den effektivsten und ökonomischsten Prozessen für eine vierte Reinigungsstufe. Ermöglicht wird die Elimination durch den Eintrag von O3-Molekülen per Diffusion oder Injektion. Voraussetzung für einen effizienten Einsatz des Ozons ist eine niedrige organische Hintergrundbelastung des zulaufenden Abwassers (D. Antakyali et al. 2015). Die Reaktion erfolgt einerseits direkt und selektiv mit anorganischen und organischen Substanzen im Wasser und andererseits indirekt, wo durch die Reaktion mit H2O zuerst Hydroxylradikale (OH) gebildet werden, die unspezifisch mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen reagieren. Der Prozess führt allerdings kaum zu einer Mineralisierung der zu oxidierenden Stoffe, sondern vielmehr zur Bildung von veränderten Stoffen und neuen Zwischenprodukten, den sog. Metaboliten, deren mögliche Auswirkungen auf die Umwelt bislang wenig bekannt sind. Aus diesem Grund werden der Ozonierung oft Verfahren nachgeschaltet, die u. a. den Abbau der Metaboliten fördern sollen (z. B. Sandfiltration, Schönungsteich, Rezirkulation). Die Eliminationsleistung von Ozon bezüglich Mikroplastik ist bei der relativ kurzen Verweilzeit allerdings fraglich. Ein Rückhalt oder sogar Abbau wäre evtl. in einem nachgeschalteten Sandfilter mit entsprechendem Aufwuchs möglich.
In der Praxis verwendete Werte für die Ozonierung sind Konzentrationen zwischen 5 und 10 mg O3/l und Reaktionszeiten zwischen 15 und 30 min (M. Rummler, K. Harmjanßen 2014).

Ozonung2

Abbildung 1: Beispielhaftes Verfahrensschema einer Kläranlage mit Ozonierung (nach M. Rummler, K. Harmjanßen 2014)

Membrantrennverfahren
Für die Membranverfahren stehen Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie Umkehrosmose zur Auswahl, wobei sich Mikro- und Ultrafiltration als weit weniger wirkungsvoll im Vergleich mit anderen Alternativen erwiesen haben. Nanofiltration und Umkehrosmose liefern zwar zufriedenstellende Ablaufwerte, arbeiten jedoch aktuell noch nicht wirtschaftlich und sind bei der Entsorgung der Filtrate zudem problembehaftet.

Adsorption
Weitaus populärer als Membranverfahren und in Verbreitung und Eliminationsleistung mit der Ozo-nierung vergleichbar sind Adsorptionsprozesse mit Aktivkohle als Adsorbens. Die Aktivkohle kann in granulierter Form in einem Filterbett (Adsorber) eingesetzt werden oder, wie in den meisten Fällen, pulverförmig mit dem Abwasser vermischt werden und setzt, ähnlich wie die Ozonierung, eine geringe organische Hintergrundbelastung voraus (D. Antakyali et al. 2015). Die Adsorbentien zeichnen sich durch eine poröse Struktur und eine hohe spezifische Oberfläche aus, an der sich die entsprechenden Schadstoffe anlagern können. Eine Wirksamkeit gegenüber Mikroplastik ist zu erwarten, da diese als Festkörper durch die vorwiegend elektrostatischen Anziehungskräfte beeinflusst und angelagert werden können.

grafik adsorption
Abbildung 2: Adsorptionsprozesse (nach J. Kaub und N. Biebersdorf 2014)

Der Vorteil der Aktivkohlenadsorption gegenüber der Ozonierung ist, dass keine Metaboliten gebil-det werden. Nachgeschaltete Verfahren, beispielsweise eine Tuchfiltration, sind dennoch erforderlich, um die verwendete, mit Schadstoffen beladene Aktivkohle aus dem Abwasserstrom zu extrahieren, wobei der entstehende Aktivkohlen-haltige Schlamm aufgrund der Schadstoffbelastung nicht landwirtschaftlich verwertet werden darf. Tuchfilter haben sich auch als effektiv bei der Abscheidung von Mikroplastik erwiesen, sodass selbst bei mangelhafter Reinigungsleistung der Aktivkohlenstufe eine Reduzierung der Mikroplastikmenge zu erwarten ist (Mintenig et al. 2014). Ein weiterer Vorteil vom Aktivkohleeinsatz ist die zusätzliche Reinigungsleistung bezüglich CSB, AFS (abfiltrierbare Stoffe) und Gesamtphosphor. Die Eliminationsrate für Mikroschadstoffe liegt durchschnittlich bei 70 % und damit im Bereich der Ozonierung. Übliche Werte aus der Praxis für die Nutzung pulverisierter Aktivkohle sind Konzentrationen zwischen 10 und 20 mg/l und Reaktionszeiten von 20 bis 30 min. (M. Rummler, K. Harmjanßen 2014)

PAK2
Abbildung 3: Beispielhaftes Verfahrensschema einer Kläranlage mit PAK-Adsorptionsstufe (nach M. Rummler, K. Harmjanßen 2014)

Biologischer Abbau
Die biologische Variante der vierten Reinigungsstufe ist bislang nicht umfassend erforscht. Prinzipiell erfolgt hier ein Abbau der Inhaltsstoffe durch Mikroorganismen, welche die Mikroschadstoffe in neue Zwischenprodukte und Verbindungen umwandeln. Ähnlich wie bei der Ozonierung entstehen auch hierbei Metaboliten, deren Auswirkungen noch weitestgehend unbekannt sind. (M. Rummler, K. Harmjanßen 2014)
Insgesamt sind Eignung und Kostenintensität jedes Verfahrens abhängig von den Abwassereigen-schaften und der Reinigungsleistung der jeweiligen Kläranlage sowie vom entstehenden baulichen Aufwand. Dementsprechend ist die Formulierung einer allgemeinen Präferenz für eine Verfahren oder eine Verfahrenskombination nicht möglich; vielmehr muss für jede Anlage individuell die sinn-vollste Variante zur Schadstoffbeseitigung ermittelt werden.

Kosten
Für die Kläranlage Greven mit einer Anschlussgröße von 78 500 EW (Größenklasse 4) wurden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie Investitions- und laufende Kosten (Betriebskosten) für die vierte Reinigungsstufe kalkuliert (M. Rummler, K. Harmjanßen 2014):

Aktivkohle Ozonierung
Investition 2,7 – 3,8 Mio. € ca. 3,5 Mio. €
Lfd. Kosten 290 000 – 360 000 €/a ca. 460 000 €/a
(1/3 davon Energiekosten)

Bei einer Umlage der durch die vierte Reinigungsstufe entstehenden, zusätzlichen Jahreskosten auf die Abwassergebühr ergeben sich laut Umweltbundesamt Mehrkosten von 0,05 bis 0,19 €/m3 bzw. 6 bis 16  €/(E x a). Dies entspricht einer Erhöhung von 2 bis 10 % (UBA 2015).
In Nordrhein-Westfalen z. B. kann bei frühzeitiger Aufrüstung der Kläranlage mit der vierten Reini-gungsstufe eine Förderung der Investition von 70 bis 80 % durch das Land in Aussicht gestellt wer-den. Dies gilt zumindest solange, bis die Entfernung von Mikroschadstoffen und damit die Installation der vierten Reinigungsstufe gesetzlich angeordnet und somit für die Kläranlagenbetreiber verpflichtend wird (masterplan-wasser.nrw.de). Das Umweltministerium (MKULNV) NRW fördert zudem Machbarkeitsstudien zur konkreten Untersuchung der Umsetzungsmöglichkeiten der vierten Reinigungsstufe auf den Kläranlagen (J. Kaub, N. Biebersdorf 2014).

Gesetzgebung
Die gesetzliche Anordnung wird laut dem Kompetenzzentrum Mikroschadstoffe NRW für das Ende 2020 erwartet. Bis dahin könnte eine Festlegung der vierten Reinigungsstufe bzw. entsprechender Überwachungsparameter als Stand der Technik nach der Abwasserverordnung für eine flächende-ckende Aufrüstung förderlich sein. Bei einer derartigen, rechtlichen Einordnung könnten zudem die Investitionen über die Abwasserabgaben verrechnet werden. Aktuell beschreiben europaweite Umweltqualitätsnormen im Rahmen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie den „guten chemischen Zustand“ von Oberflächengewässern. Ergänzt werden diese durch weitere, nationale Umweltqualitätsnormen, die den „guten ökologischen Zustand“ definieren (festgehalten in der Oberflächengewässerverordnung, OGewV). Bei den aufgeführten, zu überwachenden Stoffen handelt es sich primär um Schwermetalle und organische Mikroverunreinigungen. Mikroplastik wurde bisher noch nicht aufgenommen (masterplan-wasser.nrw.de, Umweltbundesamt 2015).


Ansprechpartner: Ralf Bertling


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