Ozonung ARA Neugut, Dübendorf – Grosstechnische Optimierung der Ozondosierung

Eawag, 2015

Schlussbericht von J. Fleiner, A. Wittmer et al. (Eawag) in Zusammenarbeit mit ARA Neugut im Auftrag des BAFU.

Zusammenfassung

Verschiedene Pilotversuche im In- und Ausland zeigten, dass die Ozonung ein geeignetes Verfahren zur weitergehenden Elimination von organischen Mikroverunreinigungen (MV) aus kommunalem Abwasser ist. Ein wesentliches Optimierungspotenzial besteht bei der bedarfsgerechten Dosierung des Ozons. Im ersten Teil des Umwelttechnologie- förderungsprojektes (Labor- und Pilotversuche von Wittmer et al. 2013, Wittmer et al. 2015) konnte bereits gezeigt werden, dass die zudosierte Ozonmenge sowohl mit der Abnahme der UV-Absorbanz als auch mit der Elimination von MV korreliert. Der Zusammenhang zwischen UV-Absorbanzabnahme und Ozondosis unterscheidet sich zwischen verschiedenen Abwässern jedoch relativ stark. Hingegen variiert der Zusammenhang zwischen UV-Absorbanzabnahme und Spurenstoffelimination zwischen unterschiedlichen Abwässern nur wenig, ist aber stoffabhängig. Die Korrelation muss für jedes Abwasser spezifisch angepasst werden. Diese Zusammenhänge wurden weiter im zweiten Teil des Umwelttechnologieförderungsprojektes (UTF) „Ozonung ARA Neugut, Dübendorf – Grosstechnische Optimierung der Ozondosierung“ im Detail überprüft sowie weiter auch die Übertragbarkeit unter Praxisbedingungen einer ARA getestet.

Das Projekt sollte insbesondere folgende Fragestellungen klären:

  • Welches ist die angemessene Ozondosis, um die geforderte 80 prozentige Elimination von Mikroverunreinigungen im Abwasser der ARA Neugut zu erreichen?
  • Eignet sich die UV-Absorbanzabnahme zur Steuerung oder Regelung dieser Ozondosierung im großtechnischen Betrieb?
  • Kann die UV-Absorbanzabnahme einfach, stabil und zuverlässig online gemessen werden und in den täglichen Betrieb einer ARA eingebunden werden?
  • Welche Umweltfaktoren beeinflussen die UV-Absorbanzabnahme und welche Wartungs- und Unterhaltungstätigkeiten sind notwendig?
  • Kann die online Messung der UV-Absorbanzabnahme zur betrieblichen Überwachung der Reinigungsleistung der Ozonungsanlage herangezogen werden?

Die Laborversuche konnten bereits zeigen, dass sich die Messung der UV-Absorbanz bei einer Wellenlänge von 254 nm als Parameter zur Steuerung und Regelung der Ozondosis eignet.

Es wurden verschiedene Steuerstrategien zur Ozondosierung getestet, wie u.a. die Dosierung nach der Zulaufwassermenge oder dem UVin-Signal bei 254 nm Wellenlänge (SAK254-Messung). Die UV-Absorbanz im Zulauf korreliert bei der genannten Wellenlänge gut mit dem DOC-Gehalt des Abwassers.

Bei der grosstechnischen Untersuchung auf der ARA Neugut konnte gezeigt werden, dass die vom Schweizer Bund geforderte 80 prozentige Elimination von Mikroverunreinigungen bei entsprechender Ozondosierung erreicht werden kann. Die untersuchten Steuer- und Regelungskonzepte zur Ozondosierung haben sich grundsätzlich bewährt. Bei der Übertragung der Verfahrenstechnik der Regelung und Steuerung via UV-Absorbanzmessung von der halbtechnischen auf die großtechnische Anlage konnten die Ergebnisse aus den Vorversuchen vollständig bestätigt werden.

Die volumenstromproportionale Steuerung der Ozondosierung ließ sich problemlos auf der ARA Neugut umsetzen. Mit einer Dosis von 0.55 gO3/gDOC (entspricht 2-3,3 gO3/m3 bei einem DOC-Gehalt von 3,5 – 6 g DOC/m3; im Mittel 2,7 gO3/m3) konnte eine der Schweizer Gesetzgebung entsprechende hohe Elimination von Mikroverunreinigungen erreicht werden. Diese spezifische Dosis berücksichtigt bereits eine mögliche Kompensation von Nitrit in Höhe von 0.2 gNO2-N/m3, wobei aufgrund des robusten und optimalen Betriebes der Belebungsanlage nur sehr geringe Nitritwerte zwischen 0.02 bis 0.04 gN/m3 zeitweise auftreten.

Die Steuerung durch DOC-frachtproportionale Ozondosierung mittels thermisch bestimmter quasi-online DOC-Analyse wurde im Zeitraum der Untersuchungen auf der ARA Neugut nicht bzw. nur kurzzeitig angewendet, da das Messgerät keine ausreichend genauen und stabilen Messwerte liefern konnte. Eine zuverlässige Steuerung der Ozondosierung via DOC-Fracht war nicht gewährleistet. Diese Art der Steuerung benötigt noch weitere Abklärungen hinsichtlich der Messgenauigkeit des Gerätes und der anfallenden Wartungsarbeiten.

Eine weitere Möglichkeit der DOC-frachtproportionalen Steuerung der Ozondosierung wurde mit einer UV-Absorbanzmessung (SAK254) realisiert. Die Messung im Zulauf der Ozonung funktionierte gut und ermöglichte eine stabile UV-proportionale Ozondosierung. Mit einem empirischen Korrelationsfaktor konnte eine gute Beziehung zur organischen Belastung (DOC) des Abwassers der ARA Neugut hergeleitet und dadurch eine quasi-DOC- frachtproportionale Steuerung realisiert werden. Die UV-Absorbanz dient quasi als Ersatzwert für den DOC-Gehalt des Abwassers. Eine ebenfalls zuverlässige Elimination der Mikroverunreinigungen konnte mit einer spezifischen Ozondosis von 0,26 (g O3/m3)/(E/m) bzw. 0,55 g O3/g DOC erreicht werden. Die Werte des DOC und der UV-Sorption variierten zwischen 3,5 – 6 g DOC/m3 bzw. 8 – 14 E/m.

Die Regelung des Ozoneintrags mittels UV-Absorbanzabnahme zwischen Zu- und Ablauf des Ozonungsreaktors stellt eine weitere Möglichkeit der bedarfsgerechten Ozondosierung dar. Es konnte gezeigt werden, dass eine direkte Korrelation der Ozondosis mit der Elimination von Mikroverunreinigungen und der UV-Absorbanzabnahme während der Ozonung besteht, welches bereits in den halbtechnischen Voruntersuchungen an der Eawag gezeigt werden konnte [Wittmer et al. 2013]. Bei der Umsetzung auf der großtechnischen Ozonung der ARA Neugut ergaben sich jedoch Schwierigkeiten, welche die Regelung der Ozondosierung mittels UV-Absorbanzabnahme erschwerten.

Während die Zulaufmessung der UV-Sonde gute und stabile Messwerte für die Absorbanz lieferte, waren die Werte der Messung im Ablauf mit einem Drift behaftet. Durch die Oxidation der organischen Wasserinhaltsstoffe mit Ozon werden diese anteilig biologisch verfügbar gemacht (Bildung von AOC – assimilierbarer organischer Kohlenstoff). In der Messzelle bildet sich daher rasch ein biologischer Bewuchs (Biofilmbildung), der das Messergebnis, trotz geräteinterner Verschmutzungskompensation, so stark beeinflussen kann, dass in diesem Praxistest eine stabile und dem Bedarf angepasste Regelung der Ozondosierung nach der Absorbanzabnahme nur bedingt erfolgen konnte.

Dennoch stellt die auf der UV-Absorbanzabnahme basierte Regelung nach wie vor eine vielversprechende Möglichkeit der bedarfsgerechten Ozondosierung dar, welche jedoch weiterer Untersuchungen bedarf. Speziell die Messung der UV-Absorbanz im Ablauf der Ozonung konnte bisher keine durchgehend zufriedenstellenden Ergebnisse liefern.

Eine Option wäre die Anordnung der UV-Ablaufmessung im Ablauf der Filtration zu installieren, um den AOC-Anteil zu reduzieren, wobei dies eine weitere Verzögerung des Messsignals mit sich bringen würde. Auch die Optimierung der Messtechnik bzw. Sensoren ist anzustreben, wie zum Beispiel eine optimierte Selbstreinigung der Messzelle bzw. des Messfensters.

Eine weitergehende, umfassende Untersuchung unterschiedlicher UV-Messgeräte sollte in anderen Projekten nachgegangen werden. Gerade in Bezug auf Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten der UV-Messung im Ablauf der Ozonung, besteht weiterhin Optimierungsbedarf, insbesondere vor dem Hintergrund der Möglichkeit der Überwachung der Effizienz und der Reinigungsleistung der Anlage.

Aufgrund der in dieser Untersuchung gewonnen Erkenntnisse lässt sich feststellen, dass die UV-Absorbanz-Steuerung und -Regelung der Ozondosierung zur Elimination von organischen Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser eine realisierbare Mess- und Regelungstechnik darstellt und heute betrieben werden kann. Die vom Schweizer Bund geforderte Reinigungsleistung wird dabei bei jeder Steuerstrategie zuverlässig erreicht. Bei der Regelung der Ozondosis mittels UV-Absorbanzabnahme kann neben der DOC- frachtgerechten Dosierung auch ein Hinweis auf die Reinigungsleistung der Anlage erfolgen. Sie könnte sich somit für die ARA-Betreiber auch als zusätzliche Überwachungsgrösse (Online-Überwachung der Spurenstoffelimination) eignen. Die aufwändige Spurenstoffanalytik ist jedoch weiter notwendig, jedoch kann die UV-Absorbanzabnahme zur Validierung des Systems bzw. der Steuerparameter und für die behördliche Überwachung mit genutzt werden.

Der vorliegende Bericht fasst die Ergebnisse der Laborversuche und der halbtechnischen Pilotierung an der Eawag (2012 – 2013) zusammen, befasst sich jedoch hauptsächlich mit der grosstechnischen Umsetzung auf der ARA Neugut (2014 – 2015). In Kapitel 2 sind der Aufbau und die Vorgehensweise der einzelnen Untersuchungen dokumentiert. In Kapitel 3 werden die gewonnenen Resultate der grosstechnischen Untersuchungen im Einzelnen dargestellt und diskutiert.

Zitierung

Fleiner J., Wittmer A., Böhler M., McArdell C.S., Teichler R, Bourgin M., Schachtler M. und Siegrist H.: „Ozonung ARA Neugut, Dübendorf – Grosstechnische Optimierung der Ozondosierung“, Schlussbericht BAFU, 2015

  • Année de publication:  2015

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