Mikroschadstoff-Elimination aus kommunalem Abwasser durch biologischen Schadstoffabbau in Festbettreaktoren unter nitrifizierenden und denitrifizierenden Bedingungen nach verbesserter chemischer Kohlenstoffextraktion
Creators: name: Stricker, Birthe Kristina
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Micropollutant Removal
subject: Fixed Bed Reactor
subject: Flocculation
subject: Enhanced Carbon Extraction
subject: Nitrification / Denitrification
classificationCode: 6
subject: Technology::628: Sanitary; Municipal
classificationCode: 6
subject: Technology::660: Chemistry; Chemical Engineering::660.2: Chemical Engineering

description: Mikroschadstoffe liegen in geringen Konzentrationen in Gewässern vor. Durch eine unzureichende Elimination in kommunalen, mechanisch-biologischen Klärwerken stellen diese einen Haupteintragspfad dar. Neben der Etablierung einer Mikroschadstoffelimination, z.B. als vierte Reinigungsstufe, ist die Steigerung der Kläranlagenenergieeffizienz eine aktuelle Fragestellung der Siedlungswasserwirtschaft. Das alternative Kläranlagenkonzept MicroStop behandelt beide Fragestellungen. Neben einer allumfassenden Reduktion von Partikeln, Nährstoffen und multiresistenten Keimen werden Mikroschadstoffe durch eine Kombination aus biologischem Abbau in Festbettreaktoren mit physikalischem Rückhalt durch eine Nanofiltration eliminiert. Dem Kombinationsprozess ist eine verbesserte Kohlenstoffextraktion in der Vorklärung durch Fällung/Flockung vorgeschaltet. Für die Machbarkeitsbewertung des Konzepts wurden Versuche zur verbesserten Kohlenstoffextraktion durchgeführt und der biologische Abbau von Mikroschadstoffen unter Nitrifikation und Denitrifikation in den Festbettreaktoren untersucht. Mit der Fällungs-/Flockungschemikalie Sachtofloc 46.12 mit einer Dosierung von 0,2 mmol Al/l Abwasser konnte eine weitere Reduktion des gesamt organischen Kohlenstoffs (TOCN) im Ablauf der Vorklärung von 49 % (Klärwerk A) und 30 % (Klärwerk B) im 1-Liter-Jartest erzielt werden. Die Reduktion wurde durch den Anteil an gelöstem organischen Kohlenstoff (DOCN) der Abwässer limitiert, die bei 52 % (Klärwerk A) und 68 % (Klärwerk B) lagen. Eine Kombination des MicroStop Konzepts mit weiteren Verfahren der verbesserten Kohlenstoffextraktion, wie POWERSTEP, ist basierend auf den Gesamtergebnissen möglich. In den biologischen Festbettreaktoren konnte eine Nitrifikation mit &gt; 99 % Reduktion und Denitrifikation mit 94 – 99 % etabliert werden. In einer Versuchsphase kam es zu einer Nitrit-Akkumulation, die durch Anpassung der Essigsäuredosierung unterbunden wurde. Über drei Versuchsphasen (rein aerober Betrieb sowie Nitrifikation/Denitrifikation ohne/mit Flockungsüberstand) wurde ein weiteres Potential für den biologischen Abbau einiger getesteter Schadstoffe gezeigt. Für Gabapentin (&gt; 93 bis &gt; 98 %), Iomeprol (&gt; 69 bis &gt; 96 %) und Metoprolol (&gt; 62 bis &gt; 76 %) konnten in allen Versuchsphasen sehr gute Eliminationsgrade unter aeroben Bedingungen (mit/ohne Nitrifikation) bis unter die Bestimmungsgrenze erzielt werden. Diclofenac wurde mit 47 bis 67 % besser als aus Literatur bekannt reduziert, jedoch nie bis unter eine Schwellenkonzentration von 1,8 – 2,6 µg/l. Eine längere Verweilzeit zeigte einen positiven Einfluss. Sulfamethoxazol zeigte schwankende Ergebnisse mit Eliminationsgraden zwischen – 42 bis 87 %. Eine Reduktion erfolgte nur unter Denitrifikation und wurde unter erhöhter Essigsäuredosierung während längerer Verweilzeit stabiler. Unter aeroben Bedingungen kam es zu einer Schadstoffzunahme. Dafür wird eine Rücktransformation vom Hauptmetaboliten N4 –acetylsulfamethoxazol als Ursache angenommen. Carbamazepin und dessen Metabolit Carbamazepin 10,11-epoxid zeigten persistentes Verhalten. Der Süßstoff Cyclamat wurde nur in einer Versuchsphase nachgewiesen und mit 97 % sehr gut eliminiert.
description: Micropollutants are present in low concentration in water bodies. Due to an inadequate elimination in municipal, mechanical-biological wastewater treatment plants, they represent a main path of entry. In addition to the establishment of micropollutant elimination, e.g. as a fourth treatment step, increasing the energy efficiency of wastewater treatment plants is a current issue in urban water management. The alternative wastewater treatment plant concept MicroStop addresses both issues. In addition to an all-encompassing reduction of particles, nutrients, and multiresistant germs, micropollutants are eliminated by a combination of biological degradation in fixed-bed reactors with physical retention by nanofiltration. The combination process is preceded by enhanced carbon extraction in the pre-treatment stage by coagulation/flocculation. To assess the feasibility of the concept, tests were carried out for enhanced carbon extraction and the biological degradation of micropollutants under nitrification and denitrification in the fixed-bed reactors. Using the coagulation/flocculation chemical Sachtofloc 46.12 at a dosage of 0.2 mmol Al/L wastewater, a further reduction in total organic carbon (TOCN) in the primary clarification effluent of 49 % (wastewater treatment plant A) and 30 % (wastewater treatment plant B) was achieved in 1 Liter jar tests. The reduction was limited by the proportion of dissolved organic carbon (DOCN) in the wastewater, which was 52 % (wastewater treatment plant A) and 68 % (wastewater treatment plant B). A combination of the MicroStop concept with other processes for enhanced carbon extraction, such as POWERSTEP, is possible based on the overall results. In the biological fixed-bed reactors, nitrification with &gt; 99 % reduction and denitrification with 94 – 99 % could be established. In one test phase, nitrite accumulation occurred, which was prevented by adjusting the acetic acid dosage. Three test phases (purely aerobic operation and nitrification/denitrification without/with flocculation supernatant) demonstrated further potential for the biodegradation of some of the pollutants tested. For gabapentin (&gt; 93 to &gt; 98 %), iomeprol (&gt; 69 to &gt; 96 %) and metoprolol (&gt; 62 to &gt; 76 %), very good elimination rates below the limit of quantification were achieved in all test phases under aerobic conditions (with/without nitrification). Diclofenac was reduced with 47 to 67 %, better than known from literature, but never below a threshold concentration of 1.8 – 2.6 µg/L. A longer retention time showed a positive influence. Sulfamethoxazole showed fluctuating results with degrees of elimination between – 42 and 87 %. A reduction only occurred under denitrification and became more stable under increased acetic acid dosing during a longer retention time. Under aerobic conditions, there was an increase in pollutants. A retransformation of the main metabolite N4-acetylsulfamethoxazole is assumed to be the cause. Carbamazepine and its metabolite carbamazepine 10,11-epoxide showed persistent behaviour. The sweetener cyclamate was only detected in one test phase and was very well eliminated with 97 %.