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Oxidative Verfahren

Bei diesen Verfahren werden die Spurenstoffe chemisch durch die Zugabe eines Oxidationsmittels verändert. Die Spurenstoffe werden oxidiert und verlieren dadurch ihre ursprünglichen Eigenschaften. Ziel dieser Verfahren ist es, die Spurenstoffe möglichst soweit chemisch zu spalten, dass sie keine umweltschädliche Wirkung mehr aufweisen.

Eine vollständige Mineralisierung der Stoffe ist jedoch oft schwierig zu erreichen. Meistens werden die Spurenstoffe lediglich zu unterschiedlichen Oxidationsprodukten transformiert. Für die Einhaltung des BSB5-Ablaufwertes können diese Transformationsprodukte problematisch sein, da sie meist eine gute biologische Abbaubarkeit aufweisen und somit den Ablaufwert erhöhen können. [1]Riße et al. (2011). Energiebedarf von Verfahren zur Elimination von organischen Spurenstoffen - Phase I. Aachen.Außerdem sind deren Umweltverhalten sowie Toxizität oft noch nicht gänzlich untersucht worden. Nach derzeitigem Stand der Wissenschaft wird daher die Nachbehandlung des oxidativ gereinigten Abwassers in einer biologisch aktiven Stufe empfohlen, um neben den neu gebildeten Substanzen die Restoxidationsmittel weitgehend aus dem gereinigten Abwasser zu entfernen.

Als oxidative Verfahren sind neben der Ozonung u.a. die erweiterten Oxidationsverfahren, sogenannte „Advanced Oxidation Processes“ (AOP), zu nennen. Die Ozonung gilt dem heutigen Wissensstand nach als ein geeignetes, effektives Verfahren für eine großtechnische Umsetzung. Die AOP hingegen sind zwar grundsätzlich in der Lage ein breites Spektrum von Spurenstoffen aus dem Abwasser zu entfernen, weisen jedoch einen deutlich höheren Energieverbrauch und damit auch höhere Kosten auf als die Ozonung. Sie werden daher für den Einsatz in der kommunalen Abwasserreinigung als ungeeignet eingestuft.

  • > Ozonung
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    Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel, das im wässrigen Milieau auf zwei Arten reagiert[1]:

    • Selektive, direkte Reaktion mit Wasserinhaltsstoffen, die elektronenreiche Bindungen besitzen (z.B. Aminogruppen, Doppelbindungen und aktivierte aromatische Gruppen).
    • Radikalkettenreaktion durch Spaltung des Ozons in Hydroxyl-Radikale, die sehr schnell und unspezifisch verschiedene Wasserinhaltsstoffe angreifen.

    Ozon reagiert nicht nur mit den zu eliminierenden Spurenstoffen sondern auch mit anderen Abwasserinhaltsstoffen wie bspw. dem DOC, Feststoffen oder Nitrit. Um den Ozonverbrauch zu minimieren, empfiehlt sich ein Einsatz der Ozonung daher nach der biologischen Reinigungsstufe. In den bisherigen großtechnischen Projekten ist die Ozonung zur Behandlung von biologisch gereinigtem Abwasser nach der Nachklärung angeordnet. Für die technische Umsetzung einer Ozonung in kommunalen Kläranlagen bedarf es folgender Komponenten[2]:

    • Ozongenerator: Mit dem Ozongenerator wird das benötigte Ozon aus Sauerstoff oder Trockenluft vor Ort produziert. Die Ozonerzeugung ist energieintensiv und erzeugt so viel Wärme, dass eine Kühlung erforderlich ist.
    • Kontaktreaktor: Im Kontaktreaktor wird das Ozon in das Abwasser eingeleitet. Hier reagiert das Ozon mit den Spuren- und anderen Abwasserinhaltsstoffen. Um eine hohe Eliminationsleistung und effiziente Nutzung des Ozons zu erzielen, muss die Verweilzeit im Reaktor ausreichend lang sein. Dies kann bspw. durch eine Kaskadierung des Reaktors erzielt werden. Der Reaktor muss gasdicht verschlossen sein, so dass keine Gefährdung des Betriebspersonals durch austretendes Ozon besteht.
    • Abgasbehandlung: Diese Komponente dient der Vernichtung des Restozons in der Abluft des Reaktors.
    • Nachbehandlung: Zur Entfernung der entstehenden Transformationsprodukte empfiehlt sich die Nachschaltung eines biologisch aktiven Verfahrens (z.B. Sandfilter, Schönungsteich…) oder eines Aktivkohlefilters.
    • MSR-Techniken zur Prozessregelung.
    • Sicherheitstechniken: Zum Schutz des Betriebspersonals vor dem stark reizenden Ozon sind geeignete Sicherheitstechniken zu installieren.

    Abbildung 1 zeigt die Einbindung einer Ozonanlage in den Prozess der kommunalen Abwasserbehandlung.

    Eine Vielzahl von Versuchen hat gezeigt, dass durch die Ozonung ein breites Spektrum von Spurenstoffen aus dem Abwasser entfernt werden kann. Die Eliminationsrate ist von dem betrachteten Stoff und der dosierten Ozonmenge abhängig.

    [1]Pinnekamp et al. (2010): Elimination von Mikroschadstoffen. In J. Pinnekamp (Hrsg.): 43. Essener Tagung.
    [2]Abegglen et al. (2012). Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser: Verfahren zur weitergehenden Elimination auf Kläranlagen.

  • > AOP-Verfahren
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    Advanced oxidation processes (AOP) beruhen auf der Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe durch Hydroxyl-Radikale (∙OH). Die Radikale sind hoch reaktiv. Sie reagieren sehr schnell und unselektiv mit allen organischen Verbindungen. Zum Einsatz in der Abwasserreinigung müssen sie vor Ort hergestellt werden. Folgende Verfahrenskombinationen werden für die Radikalbildung eingesetzt:

    • Ozonung und Zugabe von Wasserstoffperoxid (H2O2)
    • Ozonung und Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV)
    • Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) und Zugabe von Wasserstoffperoxid (H2O2)
    • Bestrahlung mit ultraviolettem Licht (UV) und Zugabe von Titan(IV)-oxid (TiO2)
    • Fenton’s Reagenz (Fe2+und H2O2)

    AOP werden oft zur Reinigung industrieller Abwässer, in denen problematische Stoffe in hohen Konzentrationen vorliegen, eingesetzt. In der kommunalen Abwasserbehandlung finden sie jedoch kaum Anwendung. Die bisherigen Erkenntnisse basieren auf Laborversuchen und vereinzelten Pilotprojekten.

    AOP zeigen im Gegensatz zur Ozonung eine höhere Spurenstoffeliminationsrate. Sogar persistente Stoffe, die mit einer Ozonung nur schlecht zu entfernen sind, können zu einem relativ hohen Umfang im Abwasser verringert werden. Die Effizienz der Verfahren hängt wiederum von der Abwassermatrix ab, da die OH-Radikale ebenfalls mit anderen Abwasserinhaltsstoffen reagieren.

DWA Landesverband Baden-Württemberg
Rennstraße 8 | 70499 Stuttgart | Telefon: 0711 89 66 31-0 | E-Mail: info(at)dwa-bw.de

© Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. // (DWA)

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