Betriebliche Aspekte

Reinigungsleistung

Bisherige Betriebserfahrungen zeigen, dass der spezifische Ozonverbrauch zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen im Bereich von 0,4 bis 0,7 mg O3 /mg DOC liegt, sofern geeignete Regelstrategien eingesetzt werden und die biologische Reinigung (Nitrifikation) gut funktioniert. So stellt beispielsweise die UV-Absorbanzmessung bei 254 nm im Zu- und Ablauf der Ozonung einen wichtigen Parameter dar, um den Ozoneintrag effizient und bedarfsgerecht zu regeln. Im Weiteren hat sich gezeigt, dass anhand einer 2-Punkt- Dosierung des Ozons (d.h. sowohl in der ersten wie auch in der dritten Kammer des Ozonreaktors) die spezifische Ozondosis nochmals gesenkt werden kann (mehrstufiger Ozoneintrag).

Die Reinigungsleistung wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

Die eingetragene Ozonmenge ist der entscheidende Parameter: je höher die eingetragene Menge, desto mehr Ozon steht für Reaktionen mit den Abwasserinhaltsstoffen zur Verfügung.

Ozon sowie die gebildeten OH-Radikale reagieren nicht nur mit den Mikroverunreinigungen, sondern auch mit der Hintergrundmatrix. Daher sollten möglichst wenig organische Stoffe im gereinigten Abwasser enthalten sein. Schwankungen des Feststoffgehalts im üblichen Bereich (5-10 mg/l) haben keinen grossen Einfluss auf den Ozonverbrauch.

Nitrit reagiert sehr rasch mit Ozon und wird dabei zu Nitrat oxidiert. Ein hoher Nitrit-Gehalt erhöht den Ozonbedarf und damit den Energieverbrauch sowie die Kosten.

Der pH-Wert beeinflusst die Stabilität von Ozon wesentlich. Der pH-Wert muss daher bei der Dimensionierung des Reaktors berücksichtigt werden.

Betrieb und Überwachung

Die Reinigungsleistung wird periodisch anhand von 12 Leitsubstanzen überprüft (Reinigungseffekt). Für den täglichen Betrieb ist eine häufige Probenahme und Analytik zu teuer und zu aufwändig. Daher stehen für die Überwachung Hilfsgrössen zur Verfügung (vgl. Konzept zur Überwachung der Reinigungsleistung). Neben der Aufzeichnung des Verbrauchs von Betriebsmitteln (O2, O3) und des DOC eignet sich vor allem die (online-)Messung des SAK (spektraler Absorptionskoeffizient) bei 254 nm. Diese Messgeräte sind kommerziell verfügbar. Die Abnahme des SAK korreliert sowohl bei der Ozonung als auch bei den Aktivkohle-Verfahren mit der Elimination verschiedener Spurenstoffe. Für die Überwachung der Reinigungsleistung wird daher empfohlen, ergänzend zur periodischen Messung der Spurenstoffe, auch den SAK bei 254 nm im Zu- und Ablauf der Spurenstoffeliminationsstufe zu messen. Alternativ zu einer online-Messung des SAK-Wertes, geben aber auch periodische Messungen von Sammelproben Informationen über den Spurenstoffabbau (Erfahrungen mit der SAK Messung). Insgesamt kann mit einer Kombination von Spurenanalytik und online-Signalen mit verhältnismässigem Aufwand sichergestellt werden, dass die Anlagen die Anforderungen bezüglich Reinigungsleistung zuverlässig einhalten.

Durch eine Messung der Ozonkonzentration in der Abluft kann ein plötzlicher Anstieg der Abluftkonzentration ein Hinweis auf den Betriebszustand liefern (mögliche Ursachen wie Regenwetter, veränderte O3-Zehrung im Abwasser etc.). Es geht bei diesem Parameter hauptsächlich um die relativen Veränderungen, nicht um die absoluten Werte. Die Information ist deutlich weniger sensitiv als beispielsweise die UV-Absorbanzmessung. Durch die Aufzeichnung von konventionellen Betriebskenngrössen kann sehr grob auf den Betrieb der Spurenstoffeliminationsstufe geschlossen werden. Folgende Betriebskenngrössen können herangezogen werden: (i) Behandelte Abwassermenge (Tagessumme), (ii) Sauerstoffverbrauch (Monatsmengen respektive Tankanlieferungen), (iii) Elektrischer Energieverbrauch (Monatssumme), (iv) Mittlere tägliche Dosiermenge (in mg Ozon / Liter), (v) Betriebsstunden des Ozongenerators (Monatssumme), (vi) Störungen und Ausserbetriebnahmen (Beschreibung). Die konventionellen Betriebsparameter werden routinemässig erfasst. Eine Beurteilung alleine auf Grund der Betriebsparameter ist jedoch zu wenig genau.

Ressourcenverbrauch und Umweltauswirkungen

Bei der Ozonung werden hauptsächlich Sauerstoff (als angelieferter Flüssigsauerstoff, oder gewonnen aus der Umgebungsluft) und Strom (v.a. für Ozonerzeugung und Restozonvernichtung) benötigt.

Ozon wird im Ozongenerator durch stille elektrische Entladung aus Sauerstoff (O2) erzeugt. Der Sauerstoff kommt dabei entweder aus der Umgebungsluft (O2-Gehalt zirka 21%) oder aus Reinsauerstoff (Reinheitsgrad von 98% bis >99.5%). In der technischen Umsetzung stehen zwei Varianten zur Verfügung:

Ozon kann aus flüssigem Sauerstoff erzeugt werden, der zentral produziert und mit Tanklastwagen zum Einsatzort geliefert wird. Vor Ort wird gasseitig keine Energie mehr benötigt. Bei einer Gesamtbetrachtung fallen aber die Sauerstoffproduktion (0.8 kWh/kg O2) und der Transport (0.05 kWh/kg O2) ins Gewicht.

Sauerstoff kann auch vor Ort, beispielsweise mit einer Druckwechseladsorption (PSA = Pressure Swing Adsorption) oder einer Vakuumdruckwechseladsorption (VPSA), erzeugt werden. Dabei wird Umgebungsluft durch Molekularsiebe gepresst, welche den Stickstoff (N2) aus der Luft entfernen (und den Sauerstoff dadurch aufkonzentrieren). Bei diesem Verfahren muss die Umgebungsluft komprimiert werden. Der Energiebedarf ist abhängig von der Anlagengrösse und dem benötigten Druck.

Der grösste Energieverbraucher bei einer Ozonung ist die Ozonerzeugung. Die zugeführte elektrische Energie wird zu etwa 90% in Wärme umgewandelt, d.h. der Generator muss permanent gekühlt werden. Die Abwärme kann zurückgewonnen und beispielsweise zum Heizen von Betriebsgebäuden genutzt werden. Der Stromverbrauch von Ozongeneratoren liegt bei zirka 10 kWh/kg O3 (bei grösseren und optimierten Anlagen ist der Stromverbrauch möglicherweise etwas tiefer). Nach dem Restozonvernichter besteht der Hauptanteil der Abluft aus Sauerstoff, und kann daher in der Biologie genutzt werden (Sicherheit, Druck, Eintragssystem zu beachten).

Im Projekt «Strategie Micropoll» wurde der zusätzliche Energieverbrauch einer Ozonung für knapp 40 Kläranlagen berechnet, unter den Annahmen, dass Flüssigsauerstoff angeliefert wird, und die Ozonung bei einer spezifischen Ozondosis von 0.75 g O3/g DOC betrieben wird. Daraus resultierte im Durchschnitt ein zusätzlicher Stromverbrauch von 0.06 kWh/m3 (ohne Sandfiltration).

Klimafreundlich Gewässer schützen

Bei der Ozonung haben der Stromverbrauch vor Ort zur Ozonerzeugung und die Flüssigsauerstoffherstellung die grössten Umweltauswirkungen. Mit einer Regel-/Steuerstrategie kann jedoch der Ozonverbrauch und somit der Stromverbrauch gesenkt werden. Zudem ist es wichtig, dass die biologische Vorreinigung möglichst gut ist, und möglichst kein Nitrit in die Ozonung gelangt. Die Verringerung des Materialaufwands für die Infrastruktur hat eine untergeordnete Bedeutung.

CO2-Fussabdruck der Modell-Spurenstoff-Stufe für Ozonanlagen mit den Annahmen aus aus dem Bericht „Klimafreundlich Gewässer schützen“ sowie verschiedene modellierte Massnahmen zur Reduktion der Umweltauswirkungen; HW = Hebewerk.

Weitere Tipps zur Förderung der Energieeffizienz bei Anlagen zur Elimination von Mikroverunreinigungen sind hier gegeben.

Kosten

Die Betriebskosten einer Ozonung werden dominiert durch den Ozonverbrauch. Es fallen somit Kosten an für die Trägergasbereitstellung (d.h. Strom für die Lufttrocknung oder die Sauerstoffproduktion, respektive für den Einkauf des Sauerstoffs), sowie für die Ozonproduktion. Die Betriebskosten sind ebenfalls stark abhängig von der lokalen Situation. Daher können hierzu keine genauen Kostenangaben gemacht werden.

Die Investitionskosten einer Ozonung werden dominiert durch den Bau des Reaktors, sowie die elektromechanische Ausrüstung (z.B. Ozongenerator, Heizung, Lüftung, Klima). Die Investitionskosten wurden im Jahre 2008 für verschiedene Kläranlagen-Grössen in einer Studie abgeschätzt (Hunziker-Betatech) und im Jahre 2012 überprüft und angepasst (BG). Die spezifischen Investitionskosten sind insbesondere abhängig von der Anlagengrösse und Redundanz der Aggregate. Im Einzelfall sind aber auch andere Faktoren wie Landreserven, Baugrund, vorhandene Infrastruktur, Abwasserzusammensetzung etc. von Bedeutung. Aus diesem Grund können hier noch keine genauen Kostenangaben gemacht werden.