28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 1
Großtechnische Umsetzung einer Ozonung zur Vollstrombehandlung
auf der Kläranlage Aachen-Soers
Projekt
43. Berliner WasserwerkstattKolloquium des Kompetenzzentrums Wasser Berlin
Ira Brückner, M. Sc. Wasserverbandes Eifel-Rur
t
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 2
IInhalt
• Einführung und Projektvorstellung• Das Forschungsvorhaben• Das Bauvorhaben
• Planung und Bemessung• Baufortschritt und Fotodokumentation
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Einführung und Projektvorstellung
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AachenDüren
Heinsberg
Monschau
EZG der Rurmit allen Zuflüssen
2.100 km²
1,1 Mio. Einwohner
1.900 km Fließgewässer
44 Kläranlagen
Verbands-gebiet des
WVER
NL
B
~ 800Sonder-bauwerke:
• 400 RÜB• 200 PW• 80 RRB• 25 RKB• 28 RBF• …
6 Talsperren
Stauvolumeninsgesamt~295 Mio.m³
53 Hochwasser-rückhalte-becken
DDer WVER als einer von elf WWasserwirtschaftsverbänden in NRW
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KKläranlage Aachen-Soers
458.300 E458.300 E~25.000.000 m³/a~3.000 l/s
Mittlerer KAKA-AA-Ablauf = 750 l/sMittlerer KKAA blaufAbAMNQ Wurm (Vorfluter)
= 750 l/s= 219 l/s
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AAllgemeiner Aufbau des Projekts DemO3AC
• Bauvorhaben• 70 % Förderung durch NRW.Bank
• Forschungsvorhaben• 80 % Förderung durch MULNV• RWTH Aachen University ist Partner
mit 4 Instituten
Bau der Ozonung nur in Kombination mit Begleitforschung
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PProjektziele
1. Evaluierung der Auswirkungen, die eine Abwasserozonung auf den Vorfluter hat
• vorher/nachher-Vergleich (Phase 1/Phase 2)
2. Verfahrenstechnische Optimierung der Ozonung• Grundlagenermittlung mittels Pilotanlage (Phase 1)• Großtechnische Untersuchungen an Demonstrationsanlage (Phase 2)
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VorherKläranlage(n)
und Vorfluter im regulären Zustand/
Status Quo
NachherKläranlage mit
Ozonung, Auswirkung auf
Vorfluter
AbwasserparameterSpurenstoffeKeimzahl & AB-ResistenzenAkute & chronische ToxizitätMechanismus-spez. ToxizitätÖkotoxizität im FreilandMakrozoobenthos etc. im Freiland
KA O3 W/H
Toolbox2015-2017
KA = Kläranlage, Soers/EilendorfO3 = Ozonung, Pilot-/großt. AnlageW/H = Wurm/Haarbach, Vorfluter
Uni- und multivariate statistische Auswertung
X X XX X XX X XX X XX X X
XX
2018-2019
EExperimentelles Design
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Das Forschungsvorhaben
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PProbenahme für Screenings
15.09.2015AbwasserparameterSpurenstoffeKeimzahl & AB-ResistenzenAkute & chronische ToxizitätMechanismus-spez. ToxizitätÖkotoxizität im FreilandMakrozoobenthos etc. im Freiland
KA O3 W/H
Toolbox
X X XX X XX X XX X XX X X
XX
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PPilotanlage
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FForschungsergebnisse Ozonung –Zehrungsversuche im Labor
0
1
2
3
4
5
6
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Ozo
ndos
is [m
g/l]
Zeit [s]
Ozonzehrungsprofil für Proben entnommen aus dem Zulauf zur Versuchsanlage/ANK
0,64
0,46
0,83
0,76
0,55
1,08
0,48
0,85
0,74
10.11.15: TW QZu,KA=58.260 m³/d DOC=6,31 mg/l06.11.15: RW QZu,KA=73.993 m³/d DOC=6,29 mg/l22.09.15: RW QZu,KA=155.591 m³/d DOC=5,87 mg/l17.09.15: RW QZu,KA=80.342 m³/d DOC=4,24 mg/l
zspez
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0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Elim
inat
ion
[%]
spezifische Ozondosis [gO3/gDOC]
Candesartan
n = 18
0
20
40
60
80
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Elim
inat
ion
[%]
spezifische Ozondosis [gO3/gDOC]
Benzotriazol
n = 18
020406080
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Elim
inat
ion
[%]
spezifische Ozondosis [gO3/gDOC]
Metoprolol
n = 18
020406080
100
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Elim
inat
ion
[%]
spezifische Ozondosis [gO3/gDOC]
Diclofenac
n = 18
FForschungsergebnisse Ozonung –Spurenstoffelimination Pilotanlage
Klae
ret a
l., 2
017
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf
Ampicillin Gentamycin SMX/TRI
Antib
iotik
ares
isten
te E
.col
i[%
]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf
Ampicillin Gentamycin SMX/TRI
Antib
iotik
ares
isten
te E
.col
i[%
]
n = 5
Ozondosis: 4 mg/l Ozondosis: 6 mg/l
n = 5
FForschungsergebnisse Ozonung –Antibiotikaresistente Bakterien
Klae
ret a
l., 2
017
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Testsystem Endpunkt Beobachtung an der Pilotanlage
Lemna minor Frondfläche/Frondzahl ↓ Reduktion durch Ozonung
Ames-Fluktuations-
assayMutagenität ↓↓ Eliminierung durch Ozonung
L-YES Assay Estrogenität ↓↓ Eliminierung durch Ozonung
ERα CALUX® Assay Estrogenität ↓ Reduktion durch Ozonung, keine
vollständige Eliminierung
H295R Assay Effekte auf die Steroidgenese ↓ Reduktion durch Ozonung, keine vollständige Eliminierung
Mikrokerntest Gentoxizität ↓Vor Ozonung bereits unterhalb des
Grenzwertes, weitere Reduktion durch Ozonung
Keine Effekte:Akute/Chronische Leuchtbakterien, Algen, Daphnien, Fischembryo-Toxizitätstest (FET), MTT-Assay
FForschungsergebnisse Ozonung –Öko- und zelltoxikologische Tests
Klae
ret a
l., 2
017
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Das BauvorhabenPlanung und Bemessung
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VVerfahrenswahl
• Pulveraktivkohlezugabe nach biologischer ReinigungFlächen für Adsorptions- und Sedimentationsstufe nicht vorhanden
• simultane Pulveraktivkohlezugabe ins Belebungsbeckenleistungsschwache Nachklärung, strenge Anforderungen an NH4-N von 1 mg/l
• Pulveraktivkohlezugabe im den Filterüberstaubereits hohe Feststoffbelastung
• GAK-Filtrationkurze Standzeiten der GAK
• OzonungFlächenbedarf machbar, Nachbehandlungsverfahren vorhanden, sauberes und gleichbleibendes Verfahren, Keimverringerung
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Nutzung bestehender Anlagenteile als Reaktionsbecken
In Nachnitrifikation
nachNachklärung
nachFiltration
NeubauBiol. Nach-behandlung
Neubau Ozonreaktor
Rezirkulation(Nachnitri. & Filtration)
Nachbehandlung:Nachnitrifikation & Filtration
Verfahrensintegration der Ozonungsstufe
IIntegration in den Verfahrensweg
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KKonzeption der Ozonung
NK 1
NK 3
NK 2
NK 4
LINPOR
LINPOR
FließwegBypass
ZPWOzonreaktor
FiltrationNachklärbecken Nachnitrifikation
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0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 4:00 6:00
Abflu
ss [m
3 /2h
]
DOC
[mg/
l]; S
KK25
4[1
/m]
SAK 254_TW SAK 254_MW DOC_TW DOC_MW Q_TW Q_MW
DDynamik des DOC im Ablauf Nachklärung
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BBemessungsparameter
Hydraulik und BemessungswassermengenQT,h,max = 1.200 l/s Qmax = 2.988 l/s = Vollstrom
Spezifische Ozondosis (mit DOC: ~7 mg/l)zspez. = 0,7 gO3
/gDOC für QT,h,maxzspez. = 0,5 gO3
/gDOC für Qmax
entspricht 3 mg/l < DO3 < 5 mg/l
Berücksichtigung möglicher limitierender FaktorenBG < NO2-N < 0,35 mg/l) (3,4 gO3
/gNO2-N)AFS: ~5 mg/l
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RReaktorvolumen
gewählte Aufenthaltszeiten aus den Versuchsergebnissen:QT,h,max: ≥ 20 Minuten Qmax: ≥ 10 Minutengewähltes Reaktorvolumen: VO3 = 2.160 m3
zweistraßige Ausführung mit je 1.080 m3
Kontrolle der Aufenthaltszeit für:QT,h,max = 30 Minuten Qmax = 12 Minuten
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Luft
industrielle O2-ErzeugungO2-Gehalt: ≈ 99 %
Ozonerzeugung aus
Luftsauerstoff
Ozon (O3)Geringer
Ozongehalt
ErzeugungVor Ort
externe-Erzeugung
Ozon (O3)maximaler Ozongehalt im
Produktgas
Ozonerzeugung aus Reinsauerstoff
Druckwechsel-adsorption
O2-Gehalt: 90–95 %
Luftaufbereitung O2-Gehalt: 21 %
496.000€/a netto
586.000€/a netto
1.096.000€/a netto
VVarianten der Ozonproduktion
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Pumpe-Injektor-System- Reaktionsbecken - Injektorpumpe- statischer Mischer
Diffusorsystem- Reaktionsbecken- Diffusor am Boden
Ozoneintrag
OOzoneintragssystem
Begünstigt Bromatbildung
Bromidkonz.:0,1–0,3 mg/l
Eintragstiefe von mind. 5 m machbar
Lokal hohe Ozonkonz. werden vermieden
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OOzonproduktion und -eintrag
3 Generatoren mit je 10,8 kgO3/h = 32,4 kgO3
/h Gasvolumenströme:226,5 Nm3/h (LOX)218,9 Nm3/h (O3/O2) mit 148 gO3/Nm3
Ozoneintrag über 112 Diffusoren2 Straßen mit je 2 Eintragssträngen,28 Diffusoren je Eintragsstrang
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RRegelung des Ozoneintrags
volumenproportional: QAbsorbanzabnahme: Δ Absorbanz [%] (SAK254) frachtproportional: DOCeq
überlagert mit: O3 im OffgasO3 im Ablauf der Ozonung
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SStrömungssimulation
Variante 1
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 28
SStrömungssimulation
Variante 2
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 29
SStrömungssimulation
Variante 3
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 30
Strömungssimulation
28 11 2017 43 Berliner Wasserwerkstatt | Ira BrücknerW
Variante 3Variante 2m/s
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BBaukosten Ozonung und Betriebsmittelbedarf
Kostenberechnung*• Bautechnik: 5,6 Mio. €• Maschinentechnik: 3,2 Mio. €• EMSR-Technik: 1,0 Mio. €• Summe: 9,8 Mio. €
Betriebsmittel• O3 ≈ 74.800 kgO
3/a
• O2 ≈ 748.000 kgO2/a
• Energiebedarf ≈ 960.300 kWh/aOzonproduktion: ≈ 822.800 kWh/a (74.800 kgO
3/a · 11 kWh/kgO
3)
Verlusthöhe Reaktor: ≈ 137.500 kWh/a (1 m · 5,5 Wh/(m3·m) x 25 Mio. m3/a)
*brutto, exkl. Ingenieurhonorar und Optimierung der Nachklärbecken
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JJahreskosten Ozonung
Jahreskosten ohne Förderung• investiver Anteil
(3%p.a., BT 30 a, MT 15 a) 632.000 €/a• Sauerstoffbezug: 115.000 €/a• Energie Ozonanlage: 175.000 €/a• Energie Schneckenhebewerk 116.000 €/a• Wartung/Instandhaltung 156.000 €/a• Personal 21.000 €/a• Summe 1.215.000 €/a
spezifische Jahreskosten ohne Förderung • JSM (≈ 20 Mio. m³/a ) 0,06 €/m³• JAM (≈ 25 Mio. m³/a) 0,05 €/m³ • EW (458.300 E) 2,65 €/EW/a
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GGroßtechnische Ozonungsanlage
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Das Bauvorhaben Baufortschritt und Fotodokumentation
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OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
Baufeld: 24.01.2017
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Aushub: 22.03.2017
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
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Betonnage Bodenplatte: 27.04.2017
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
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OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
17.05.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 39
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
29.05.201717
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 40
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
29.05.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 41
19.07.2017
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
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29.09.2017
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 43
23.10.2017, Richtfest
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 44
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
15.11.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 45
OOzonungsanlage Aachen-Soers Baufortschritt
22.11.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 46
OOzonungsanlage Aachen-Soers Innenleben
28 11 2017 43 B li W k t
15.11.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 47
OOzonungsanlage Aachen-Soers Innenleben
22.11.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 48
OOzonungsanlage Aachen-Soers Innenleben
23.10.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 49
OOzonungsanlage Aachen-Soers Innenleben
23.10.2017
28.11.2017 43. Berliner Wasserwerkstatt | Ira Brückner 50
Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!
Kontakt:
Ira Brückner, M. Sc.Wasserverbandes Eifel-Rur
Eisenbahnstraße 552353 Düren
Tel.: + 49 2420 494 3109Mobil: + 49 152 567 08 392
Mail: [email protected]
www.wver.de demo3ac.wver.de
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