Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1294
Main Title: Ozonung zur weitergehenden Aufbereitung kommunaler Kläranlagenabläufe
Translated Title: Advanced treatment of wastewater treatment plant effluent using ozonation
Author(s): Schumacher, Jochen
Advisor(s): Jekel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Ozon wird in der Trinkwasseraufbereitung zur Desinfektion und zur Oxidation von organischen Spurenstoffen eingesetzt. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwiefern Ozon auch zur Behandlung von Kläranlagenabläufen genutzt werden kann. Ziel ist neben einer Desinfektion die Entfernung von persistenten organischen Einzelstoffen aus der medizinischen Therapie. Diese wurden in den letzten Jahren vermehrt in Oberflächengewässern und zum Teil auch in Grundwässern nachgewiesen, da sie über die kommunalen Kläranlagen in die Vorfluter eingetragen werden. Mit Hilfe von verschiedenen Reaktoren im Labormaßstab wurde die Reaktion von Ozon und OH-Radikalen mit Kläranlagenablauf charakterisiert und der Einfluss der Ozonung auf organische Summenparameter, die Bromatbildung, die Desinfektion und das Verhalten während einer nachgeschalteten Bodenpassage untersucht. Im Unterschied zur Behandlung von Trinkwasser sind bei der Ozonung von Kläranlagenablauf die Reaktionen in den ersten Sekunden maßgeblich. Es kommt zu einem hohen Verbrauch an Ozon und einer sehr ausgeprägten Bildung von OH-Radikalen. Der Ozoneintrag muss an die DOC-Konzentration im Klarlauf angepasst werden. Die Oxidationsprodukte sind kleiner, polarer und zu einem großen Teil relativ leicht biologisch abbaubar. Bei geringen spezifischen Ozonzehrungen Zspez von 0,3 - 0,5 mg/mg DOC0 wird entsprechend der Berechnungen bereits die Konzentration von Einzelstoffen wie Carbamazepin und 17α-Ethinylestradiol mit funktionellen Gruppen, die von Ozon direkt angegriffen werden können, um mehrere Größenordnungen reduziert. Für eine sichere Desinfektion, ausgedrückt als vollständige Entfernung der Kolonie bildenden Einheiten (KBE), muss Zspez auf ~1 mg/mg DOC0 erhöht werden. Für die mehr als 90 %ige Entfernung von sehr ozonresistenten Einzelstoffen wie das Röntgenkontrastmittel Iopromid sind höhere Zspez von 2 - 3 mg/mg DOC0 erforderlich. Eine Dosierung von H2O2 kann die Reaktionszeit bei höheren Ozondosen auf wenige Sekunden reduzieren. Das Verfahren wird durch die Bildung von Bromat eingeschränkt. Bei einer Ozonzehrung von Zspez= 0,7 mg/mg DOC0 werden ca. 5 % des Bromids zu Bromat oxidiert. In Abhängigkeit von der Bromidkonzentration und der Ozonexposition wird somit zum Teil deutlich mehr als 10 µg/L Bromat, der Grenzwert aus der Trinkwasserverordnung, gebildet. Eine Dosierung von H2O2 oder NH4+ kann die Bildung von Bromat um ca. 40 % hemmen. Bei der Aufbereitung von Klarlauf für eine Grundwasseranreicherung beschleunigt eine Ozonung die Abbauprozesse organischer Verbindungen im Boden, so dass mit Hilfe von Zspez= 1,9 mg/mg DOC0 und einer Bodenpassage die Charakteristik von Berliner Klarlauf bezogen auf DOC, SAK und Molekülgrößenverteilung dem Berliner Trinkwasser entspricht. Während der Bodenpassage wird bereits unter anoxischen Bedingungen Bromat reduziert. Bei Kosten von ca. 5 €-Cent/m³ bei Zspez= 2 mg/mg DOC0 ist es möglich, dieses Verfahren auch in der Praxis einzusetzen. Vor allem in Wassersystemen, die stark mit Klarläufen belastet sind und deren Wasser wieder direkt oder indirekt über eine Bodenpassage zur Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser genutzt wird, sollte an einen Einsatz dieses Verfahrens gedacht werden.
Ozone is widely applied in drinking water processing for disinfection and oxidation of organic micropollutants. The effects of ozone treatment on municipal wastewater treatment (WWTP) plant effluents were investigated. The aims are a sufficient disinfection performance and the removal of selected pharmaceutically active compounds (PhACs) and X-ray contrast media. These micropollutants were detected in surface- and partly even in groundwaters entering the water system via wastewater treatment plant effluent. Different lab-scale ozonation reactors were used to characterize the reactions of ozone and OH-radicals in WWTP effluent, the impact of ozonation on organic compounds, formation of bromate, disinfection, and the behaviour during subsequent groundwater recharge. The reactions in the first seconds are decisive during ozonation of WWTP effluent, which is different from ozonation of drinking water. During this reaction phase, a high ozone demand is coupled with a high production of OH-radicals. Ozone demand can be correlated with the dissolved organic carbon (DOC) in WWTP effluent. During ozonation the bulk organic matter components become smaller, more polar, and in general better biodegradable. According to calculations, concentrations of compounds with functional groups which can be easily attacked by ozone directly like carbamazepine and 17α-ethinylestradiole are reduced by several orders of magnitude at specific ozone consumptions (Zspec) 0.3 – 0.5 mg/mg DOC0. For disinfection, expressed as an entire removal of colony forming units, Zspec. must be increased to about 1 mg/mg DOC0. Ozone resistant compounds like the X-ray contrast media iopromide require a Zspec of 2 – 3 mg/mg DOC0 for a removal > 90 %. Dosing of H2O2 reduces reaction time at higher ozone doses to a few seconds. The applied ozone dose is restricted by the formation of bromate. In batch reactors at specific ozone consumptions of 0.7 mg/mg DOC0 5 % of the bromide present is oxidised to bromate. If concentrations of bromide and ozone exposure are increased, the value of 10 µg/L of the European drinking water directive is exceeded. Dosing of H2O2 or NH4+ can reduce the formation of bromate by 40 %. Ozonation of WWTP effluent for subsequent groundwater recharge accelerates the biological degradation of organic compounds during soil passage. After ozonation with Zspec = 1.9 mg/mg DOC0 and treatment in soil columns, the characteristics of Berlin WWTP effluent is similar to Berlin drinking water in terms of DOC, SUV, and molecular weight distribution. As the calculated total costs for this treatment are about 5 €-Cent/m3 at Zspec = 2 mg/mg DOC0 ozonation of WWTP effluent can also be applied in practice. This is especially helpful in water systems, where wastewater effluent-impacted surface water is used directly or indirectly via bank filtration for drinking water processing.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12188
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1591
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1294
Exam Date: 28-Oct-2005
Issue Date: 13-Feb-2006
Date Available: 13-Feb-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): DOC
Kläranlagenablauf
Oxidation
Ozon
Spurenstoffe
Advanced treatment
DOC
Micropollutants
Oxidation
Ozone
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