De­­co­­ding Spu­­ren­­stof­­fe


Implementierung einer intelligenten Monitoring- und Steuerungszentrale für eine ressourceneffiziente Spurenstoffelimination aus Abwasser

Das Vorhaben DecS verfolgt die Vision, organische Spurenstoffe zielgerichtet aus Abwasserströmen zu entfernen und den dafür notwendigen Ressourceneinsatz der verfügbaren Technologien zu entlasten (Ozon, Pulveraktivkohle, Granulierte Aktivkohle).
DecS nutzt dabei den Treiber der Digitalisierung, indem kontinuierlich erfasste Messdaten eines Online-Sensorsystems intelligent verarbeitet und mit digitalen Modellabbildern vernetzt werden. Dabei erforscht DecS die Nachhaltigkeitspotenziale einer digitalisierten Spurenstoffelimination und beantwortet Fragestellungen zur simulationsunterstützten Prozessoptimierung auf wasserwirtschaftlichen Anlagen.
Die Machbarkeit der großtechnischen Implementierung einer intelligenten Monitoring- und Steuerungszentrale wird in digitalen Reallaboren erprobt (Kläranlage Dülmen und Kläranlage Bad Sassendorf), um konkrete Erfahrungen im Zusammenspiel der digitalen Instrumente sammeln zu können („Proof of Concept“).
Neben dem Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel (Verbundkoordinator) sind das Unternehmen UNISENSOR Sensorsysteme GmbH, das Forschungsinstitut ifak e.V., das Ingenieurbüro Weber-Ingenieure GmbH und der Lippeverband als Praxispartner an der Projektdurchführung beteiligt.


Hin­ter­grund

Der dominierende Eintragspfad von vielen organischen Spurenstoffen anthropogenen Ursprungs (Industriechemikalien, Haushaltschemikalien, Arzneimitteln, Bioziden u. a.) sind Abflüsse aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen. Neben quellenorientierten Maßnahmen zur Reduktion des Spurenstoffeintrags in Abwasser wird die weitergehende Abwasserreinigung daher vermehrt mit separaten Eliminationsstufen zur Verminderung von Spurenstoffeinträgen aus diesen Punktquellen betrieben.  Hierbei kommen bisher vorwiegend die Oxidation mittels Ozons sowie Adsorption an Aktivkohle zur Anwendung.
Stand heute werden die Eliminationsprozesse der installierten Technologien ausschließlich über diskontinuierliche Input-Output-Betrachtungen beurteilt. Da Technologien zur kontinuierlichen Erfassung eines breiten Spektrums an Spurenstoffen bislang fehlen, werden die Prozesse zur Spurenstoffelimination nicht im Sinne einer Steuerung oder Regelung gezielt beeinflusst. Zwar kann die in manchen Fällen eingesetzte Surrogatmessung des spektralen Absorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von 254 nm (SAK254) kontinuierliche Hinweise zur Restorganik liefern, die Rückschlüsse auf die benötigte Dosiermenge des Adsorbens bzw. Oxidans zulässt. Sie ist allerdings nicht ausreichend für eine gezielte Beeinflussung der dynamischen Prozesse. Eine nachhaltige Weiterentwicklung und Optimierung der Reinigungsverfahren mit dem Ziel eines möglichst effizien¬ten Ressourceneinsatzes bei größtmöglichem Gewässerschutz ist somit bislang ausgeblieben.

For­schungs­vor­ha­ben

Das Vorhaben DecS verfolgt das Ziel, mit Hilfe einer kontinuierlichen Datenerfassung und Datenverarbeitung die Betriebsweise von Verfahren zur Entfernung organischer Spurenstoffe aus Abwasser möglichst effizient zu gestalten, indem der dafür notwendige Ressourceneinsatz minimiert wird.

Vor diesem Hintergrund trieben die Verbundpartner bislang in separaten Vorhaben die Entwicklung einer kontinuierlichen Erfassung von organischen Spurenstoffen, die Modellierung von Adsorptions¬prozessen verschiedener Spurenstoffe an Pulveraktivkohle und die halbtechnische Erprobung bzw. großtechnische Umsetzung von Spurenstoffeliminationsverfahren auf kommunalen Kläranlagen voran. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden im Rahmen von DecS vertieft und um die Prozesse der Adsorption in Aktivkohlefiltern (GAK) sowie der Oxidation mit Ozon erweitert.

Die kontinuierlichen erfassten Messdaten werden im Rahmen von DecS mit den weiterzuentwickelnden Modellsystemen verknüpft. Das Simulationssystem SIMBA#water, mit dem die Automatisierungstechnik der Anlagen realitätsnah abgebildet werden kann, dient dabei als Ausgangspunkt für die Vernetzung. Hiermit können sowohl die Nachhaltigkeitspotenziale einer digitalisierten Spurenstoffelimination ermittelt als auch generelle Fragestellungen zur simulationsgestützten Prozessoptimierung auf wasserwirtschaftlichen Anlagen geprüft und beantwortet werden.

Die großtechnische Anwendbarkeit der im Rahmen von DecS entwickelten Modelle und Regelstrategien wird auf zwei kommunalen Kläranlagen des Lippeverbands (EGLV) in sogenannten digitalen Reallaboren erprobt. Die digitalen Reallabore dienen als zeitlich und räumlich begrenzte Testräume. Hier sollen konkrete Erfahrungen im Zusammenspiel der verwendeten digitalen Instrumente gesammelt und diese anwenderorientiert optimiert werden.

Damit leistet das Projekt auch einen Beitrag zum Erreichen der Sustainable Development Goals (SDGs), die im Jahr 2015 im Rahmen der Agenda 2030 verabschiedet wurden, insbesondere zu den Unterzielen „Verringerung von Erkrankungen aufgrund gefährlicher Chemikalien“ (SDG 3.9), „Verbesserung der Wasserqualität“ (SDG 6.3), „Umweltverträglicher Umgang mit Chemikalien“ (SDG 12.4) und „Verringerung der Meeresverschmutzung“ (SDG 14.1).

 

Ad­sorp­ti­ons­ver­fah­ren

Zur Elimination von Spurenstoffen mittels Adsorption wird das Abwasser in Kontaktbecken mit pulverisierter Aktivkohle oder in Festbett-Filtern mit granulierter Aktivkohle in Kontakt gebracht. Die Pulveraktivkohle wird im Anschluss an den Adsorptionsprozess durch Absetzbecken und ggf. einen nachgeschalteten Sandfilter aus dem Abwasser entfernt. Über eine Mehrfachverwendung (Rezirkulation) der Aktivkohle wird die Effizienz des Verfahrens erhöht. Bei GAK-Filtern ist keine nachträgliche Abtrennung der Aktivkohle erforderlich. Hier wird die Reinigungsleistung durch die Filterlaufzeit bestimmt. Nach vollständiger Belegung des Adsorptionsmaterials (Filterdurchbruch) muss dieses gegen neue oder reaktivierte Aktivkohle ausgetauscht werden. Die Adsorptionsfähigkeit einzelner Spurenstoffe wird maßgeblich durch den Gehalt an gelöster organischer Substanz (DOC) beeinflusst, da diese zu den Spurenstoffen in direkte Konkurrenz um Adsorptionsplätze tritt.

Oxi­da­ti­ons­ver­fah­ren

Bei der Ozonierung werden die chemischen Verbindungen der Spurenstoffe durch Oxidation mit Ozon (O3) in weniger schädliche Reaktionsprodukte überführt. Die Ozonierung hängt somit hauptsächlich von chemischen Reaktionen und dem Oxidationsvermögen der Spurenstoffe ab. Wie auch die Adsorption wird die Oxidation zudem maßgeblich durch die DOC-Hintergrundmatrix des individuellen Abwassers beeinflusst. Bei der Ozonierung werden geringe Mengen des karzinogenen Bromats (BrO3-) erzeugt, selbst wenn geringe Mengen Brom vorhanden sind. In das zu entwickelnde Modell werden Ozonreaktionen mit Brom einbezogen und die Reaktionsraten anhand etablierter Berechnungsansätze ermittelt.

Vor­ge­hen

Die im Projekt durchzuführenden Forschungsarbeiten sind in 6 Teilpakete gegliedert. Sie werden durch die beteiligten Verbundpartner vorbereitet und an den ausgewählten Standorten des öffentlichen Verbundpartners EGLV (KA Dülmen, KA Bad Sassendorf) durchgeführt.

Mo­ni­to­ring (AP 1)

Im Rahmen von AP 1 wird mit dem WATERTRACETM-System ein detailliertes Spurenstoff-Screening auf den Kläranlagen Dülmen und Bad Sassendorf durchgeführt. Mittels projektbegleitender Referenzanalysen wird das WATERTRACETM-System fortlaufend kalibriert. Parallel werden Konzepte zur automatisierten Datenaufnahme und -auswertung erarbeitet. Ziel ist die Erarbeitung eines intelligenten Spurenstoff-Monitorings, das eine anwenderorientierte und nutzerfreundliche Betriebsdatenauswertung garantiert.

Si­mu­la­ti­on (AP 2)

Das AP 2 umfasst die Weiterentwicklung der bereits vorhandenen Modellansätze für die Pulveraktivkohle-Adsorption (PAK) um Adsorptionsprozesse an granulierter Aktivkohle (GAK) sowie Oxidationsprozesse mit Ozon. Hierfür werden mathematische Modellhypothesen aus der bekannten Literatur weiterentwickelt und in das verwendete Simulationssystem implementiert. Die Modelle werden verifiziert, indem sie für eine Reproduktion der Ergebnisse von Laborversuchen genutzt werden. Ziel des AP 2 ist die Erarbeitung eines webfähigen Modellierungssystems, das als „Digitaler Zwilling“ entweder offline zur Planung und Optimierung von Abwasser-Reinigungsverfahren oder online als virtuelles Messgerät und für Regelungsaufgaben genutzt werden kann.

Di­gi­tal Twin (AP 3)

Im AP 3 werden Simulationsmodelle bzw. „Digitale Zwillinge“ der Reallabore (KA Dülmen mit Pulveraktivkohle-Dosierung, KA Bad Sassendorf mit Ozonung) erstellt sowie verschiedene Automatisierungskonzepte entwickelt und analysiert. Damit lassen sich optimierte Automatisierungslösungen für die Spurenstoff-Eliminationsverfahren finden, die einen minimalen Energieeinsatz und Ressourcenverbrauch bei bestmöglicher Einhaltung der Ablaufanforderungen gewährleisten.

Re­alla­bor (AP 4)

In den Reallaboren (AP 4) erfolgt eine großtechnische Validierung und praktische Erprobung der in AP 2 und AP 3 entwickelten Modelle bzw. „Digitalen Zwillinge“ für die Adsorption an Pulveraktivkohle (KA Dülmen) sowie für die Ozonung (KA Bad Sassendorf). Die Reallabore sollen helfen, die digitalen Innovationen in der wasserwirtschaftlichen Praxis zu verankern und Erkenntnisse aus der Forschung auf die betriebliche Praxisebene eines Kläranlagenbetreibers zu überführen.

Über­trag­bar­keit (AP 5)

Ausgehend von den Ergebnissen der vorgeschalteten Arbeitsschritte werden in AP 5 ein Lastenheft sowie eine Funktionsbeschreibung für eine ressourceneffiziente Automatisierung der Verfahren zur Spurenstoffelimination entwickelt. Es entsteht ein Anforderungskatalog für alle notwendigen Komponenten der digitalisierten Mess-, Steuer- und Regelungstechnik. Zudem werden wesentliche technische sowie inhaltliche Vorgaben über den Prozess, die erforderlichen Randbedingungen der verschiedenen Verfahrensvarianten (PAK, GAK, Ozon) sowie konkrete Automatisierungskonzepte in allgemeiner Form schriftlich fixiert. Damit wird eine Übertragung des neuen digitalen Steuer- und Regelsystems auf andere Kläranlagen ermöglicht.

Kom­mu­ni­ka­ti­on (AP 6)

Das AP 6 wird durch die Universität Kassel umgesetzt und beinhaltet die übergeordnete Projektorganisation, Projektplanung und Projektdokumentation sowie die Öffentlichkeitsarbeit und das Controlling.

Klär­an­la­­ge Dül­­men

Die Kläranlage Dülmen besitzt eine Ausbaugröße von 55.000 EW und verfügt über eine mechanisch-biologische Abwasserreinigung mit gezielter Nährstoff-Elimination (Stickstoff, Phosphor). Bereits seit ihrer Erweiterung im Jahr 1995 verfügt die Kläranlage Dülmen über einen Sandfilter mit insgesamt fünf Filtrationskammern. Seit 2015 wird der Baukörper der Filtrationsanlage zur weitergehenden Abwasserreinigung mittels Pulveraktivkohle in Kombination mit einer Flockungsfiltration  genutzt. Zwei Kammern des ehemaligen Sandfilters dienen als Kontaktreaktoren zur Einmischung der Pulveraktivkohle. Im anschließenden separaten Absetzbecken wird diese vom Abwasser abgetrennt. Zur Feinreinigung ist dem Absetzbecken ein Zweischicht-Festbett-Filter nachgeschaltet, für den die übrigen drei Filterkammern genutzt werden. Die Dosier- und Anlagentechnik befindet sich unterhalb des neuen Pulveraktivkohle-Silos, bestehend aus einer hochakkuraten Dosierwaage mit Austragschnecke sowie einer Druckluft-Spülung für den Silo-Trichter.

Das Spurenstoff-Screening für DecS mit dem WATERTRACETM­-Messgerät erfolgt auf der Kläranlage Dülmen im Zu- und Ablauf der Pulveraktivkohlestufe. Über je eine kontinuierlich laufende Pumpe im Zulauf zum Hebewerk sowie im Ablauf des Festbett-Filters wird das Abwasser zum Messcontainer gefördert und dort mit einem UV-Spektrometer analysiert. Die ermittelten Daten werden via Internet direkt an den Hauptsitz von UNISENSOR in Karlsruhe vermittelt.

Klär­an­la­­ge Bad Sas­­sen­dorf

Die KA Bad Sassendorf behandelt das Abwasser von etwa 12.000 EW. Das Einzugsgebiet der Kläranlage hat mit 1.200 Betten in sechs Kurkliniken einen sehr hohen Anteil an Krankenhausabwässern, in dem sich in erhöhtem Maße Spurenstoffe wie bspw. Röntgenkontrastmittel oder Medikamentenrückstände befinden.

Im Oktober 2009 wurde daher eine nachgeschaltete Ozonierungsanlage zwischen der Nachklärung und dem vorhandenen Schönungsteich in Betrieb genommen. Die Anlage ist auf eine Wassermenge von 300 m³/h (entsprechend dem Trockenwetterzufluss) ausgelegt und wird im freien Gefälle durchflossen. Das zu behandelnde Abwasser wird in einen abgedeckten Kontaktreaktor geleitet, wobei bei Regenwetter die überschüssige Wassermenge vorab über eine Wehrschwelle zum Kläranlagenablauf abgeschlagen wird. Das Ozon wird in einem separaten Generator erzeugt und durch Keramik-Diffusoren an der Beckensohle in das Abwasser eingetragen. Nach der Ozonbehandlung wird das Abwasser zur biologischen Nachbehandlung dem bereits vorhandenen Schönungsteich zugeführt.

Auch auf der Kläranlage Bad Sassendorf erfolgt das Spurenstoff-Screening im Rahmen von DecS mit dem WATERTRACETM­-Messgerät im Zu- und Ablauf der Ozonierung. Über je eine kontinuierlich laufende Pumpe im Zulauf zum Kontaktreaktor sowie im Ablauf der Nachklärung wird das Abwasser zum Messcontainer gefördert und dort mit einem UV-Spektrometer analysiert. Die ermittelten Daten werden über Internet direkt an den Hauptsitz von UNISENSOR in Karlsruhe vermittelt.

In­­­for­­ma­­ti­o­­nen zu den Pro­­jek­t­par­t­­nern

Ge­för­dert vom ...

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt „DecS - Decoding Spurenstoffe“ zur Fördermaßnahme „Digital GreenTech - Umwelttechnik trifft Digitalisierung" innerhalb des Aktionsplans "Natürlich.Digital.Nachhaltig". Der Aktionsplan steht im Kontext der Strategie „Forschung für Nachhaltigkeit (FONA)“ des BMBF. Die Laufzeit beträgt zwei Jahre (04/2021 - 03/2023).