In den letzten Jahren wurde eine steigende Anzahl organischer Spurenstoffe wie beispielsweise Medikamente, Industriechemikalien, usw. im Wasserkreislauf detektiert. Kommunale Kläranlagen stellen dabei einen wichtigen Eintragspfad solcher Stoffe in die Oberflächengewässer dar, weswegen dort ein vermehrter Ausbau der sogenannten 4. Reinigungsstufe zur Elimination der Spurenstoffe durch den Einsatz von Aktivkohle und/oder Ozon stattfindet. Für den praktischen Betrieb einer Ozonanlage sind dabei Aspekte wie Überwachung der Spurenstoffelimination sowie eine bedarfsgerechte Anpassung der Ozondosis an eine variierende Wasserqualität von großer Bedeutung. Praxiserfahrungen der letzten Jahre haben dabei gezeigt, dass der Einsatz von UV-Sonden zur Bestimmung des SAK254 bzw. dessen relative Abnahme durch die Ozonung (delta SAK254) sowohl zur Betriebsüberwachung als auch zur Regulierung der Ozondosis geeignet ist [1], weswegen die Ermittlung des delta SAK254 ergänzend zu einer periodischen Überprüfung der Spurenstoffelimination seitens des Verbands der Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute (VSA) empfohlen wird [2]. Als mögliche Alternative zur Verwendung des SAK254 wird der Einsatz von Fluoreszenzsonden diskutiert, da die Abnahme der Fluoreszenz durch die Ozonung ebenfalls eine Korrelation mit der Elimination von Spurenstoffen aufweist [3]. Derzeit werden Fluoreszenzmessungen beispielsweise zur Detektion von Algenblüten in Seen oder zur Überprüfung von Öl im Wasser eingesetzt, wohingegen nur wenige Erfahrungen zum Einsatz bei Ozonanlagen auf Kläranlagen vorliegen. Im Rahmen dieses Beitrags werden Praxiserfahrungen einer Fluoreszenz-Onlinemessung im Einsatz auf einer Ozonanlage zur Spurenstoffelimination auf Kläranlagen vorgestellt und Vor- bzw. Nachteile gegenüber einer SAK254-Onlinemessung hinsichtlich der Sensitivität, bezüglich Änderungen der Wassermatrix, Einfluss von Fouling sowie Wartungsaufwand herausgearbeitet.

Das Verbundprojekt „TestTools“ hat vielfältige Untersuchungen zur Verwendbarkeit unterschiedlicher Testmethoden hinsichtlich des Spurenstoffverhaltens in natürlichen und technischen Barrieren durchgeführt. Entsprechend der gewonnenen Ergebnisse können die folgenden knapp zusammengefassten Aussagen getätigt werden. Zur Pulveraktivkohle-(PAK)-Dosierung im Labor sollten benetzte, entgaste Stammsuspensionen, die in Reinstwasser angesetzt werden, in Verbindung mit Laborpipetten verwendet werden; mit geringem Zusatzaufwand können dabei auch der PAK-Wasser- und -Aschegehalt bestimmt werden. Die Kontaktherstellung mit der Testflüssigkeit sollte auf eindimensionalen Horizontalschüttlern erfolgen. Der Surrogatparameter UV254nm-Absorption eignet sich in den meisten Fällen unabhängig von der PAK-Sorte zur Prognose der Spurenstoffentfernung. Die neuartige Initialisierung des Equivalent Background Compound Models (EBCM) mittels Wasserqualitätsparametern (z. B. DOC) wurde validiert. Methylorange eignet sich als definiertes Surrogat für Adsorptionskonkurrenz durch Hintergrundorganik. UV254 eignet sich auch für kontinuierlich betriebene, großskalige Pilot- und Großanlagen zur Kontrolle und Überwachung der Spurenstoffentfernung. Eine Batchprozedur zur Vorhersage von Spurenstoffentfernungen auf PAK-Rezirkulations-Großanlagen wird vorgeschlagen. Rapid small-scale column tests (RSSCTs) werden im Vergleich mit großskaligen Daten trotz einiger Einschränkungen als geeignete Methode für schnelle und verlässliche Tests mit granulierter Aktivkohle (GAK) bestätigt. Größere RSSCTs bringen weniger Einschränkungen aber einen deutlich höheren Aufwand mit sich. GAK-Batchtests sind nur bedingt geeignet. Integrale Durchbruchskurven unterliegen deutlich weniger Schwankungen als direkte („aktuelle“) Durchbruchskurven. Abgleiche zwischen den Durchbrüchen in verschiedenen Wässern können mittels Auftragungen über spezifische Durchsätze von bestimmten Wasserqualitätsparametern (aus der größenausschluss-chromatographischen Trennung des DOC) erreicht werden. Surrogatparameter wie UV254 eignen sich nur bedingt zur Vorhersage, insbesondere bei stark adsorbierenden Spurenstoffen. Die Nützlichkeit künstlicher Surrogatparameter muss noch geklärt werden. Ozon-Laborversuche im Batch bzw. Semi-Batch-Methoden liefern vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich der Spurenstoffelimination, haben jedoch unterschiedliche Vor- und Nachteile bei der praktischen Umsetzung. Der Feststoffeinfluss auf die ozon-induzierte Spurenstoffelimination ist gering und erst ab ca. 20 mg/L Trockensubstanz relevant. Temperatur und pH-Wert haben ebenfalls wenig bis keinen Einfluss; allerdings beeinflussen sie die ermittelten Ozonzehrungsverläufe. Über die UV254-Absorption (SAK254) können gute Vorhersagen der Spurenstoffelimination getätigt werden. Die Bromatbildung fiel in Batch- und Semi-Batch-Versuchen teils unterschiedlich aus; die Bildung von Bromat oder NDMA wird gegenüber Pilot- oder großtechnischen Anlagen tendenziell überschätzt. Von 18 kommunalen Kläranlagen wurden die Eliminationen verschiedener Spurenstoffe bzw. des delta SAK254 bezüglich des spez. Ozoneintrags ermittelt, was für Referenzzwecke nutzbar ist. Interne OH-Radikaltracer waren in allen 18 untersuchten Kläranlagen anzutreffen, was zur Ermittlung der OH-Radikalexposition als auch zur Qualitätssicherung genutzt werden kann. Die Modellierung basierend auf Ozon- und OH-Radikalexposition führte zu teils deutlichen Überschätzungen der Spurenstoffelimination. Die Ergebnisse einer Umfrage zeigen eine überwiegend sehr gute Informationslage bei den Stakeholdern. Zur biologischen Nachbehandlung des ozonierten Klarlaufs wird von den befragten Personen der Einsatz von Filtersystemen, insbesondere solchen mit granulierter Aktivkohle, empfohlen. Aufgrund der sehr komplexen Zusammenhänge in naturnahen biologischen Barrieren, wie beispielsweise der Uferfiltration oder der künstlichen Grundwasseranreicherung, sind schnelle Testmethoden nur bedingt aussagekräftig. Erkenntnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass kleine Unterschiede in der Verfügbarkeit von Sauerstoff oder biologisch verfügbarem organischen Kohlenstoff bereits erhebliche Unterschiede in der Elimination bestimmter organischer Spurenstoffe haben. Neben den chemischen Parametern hat die Zusammensetzung der Mikrobiozönose einen entscheidenden Einfluss auf die Abbauleistung. Insgesamt eignen sich einfach durchzuführende Laborschnelltests daher nicht, die hohe Komplexität naturnaher Untergrundprozesse darzustellen. Lediglich eine gute Abbaubarkeit unter oxischen Verhältnissen lässt sich vergleichsweise gut anhand von Kleinsäulentests im Labormaßstab abbilden.

Spree und Havel sind langsam fließende Gewässer, deren Wassermenge besonders durch die Reduzierung des Braunkohletagebaus am Oberlauf der Spree seit 1990 kontinuierlich zurückgeht. Die Berliner Wasserbetriebe leiten in diese Vorfluter das biologisch gereinigte Abwasser (Klarwasser) ein, das die Gewässersituation in Bezug auf Keime, NährstofFe und organisehe Spurenstoffe beeinflusst. Maßnahmen an der Quelle zur Vermeidung oder Verminderung des StofFeintrages in den Wasserkreislauf, eine Abwasserreinigung mit Ozonung, Pulverkohle sowie Membranfiltration könnten hier eine verbesserte Entfernung bewirken. Die Berliner Wasserbetriebe und das Kompetenzzentrum Berlin haben gemeinsam mit der TU Berlin zur Spurenstoff- und Keimentfernung das Verfahren der Ozonung von gereinigtem Abwasser durchgeführt. Das Ziel der Ozonung ist es, die Spurenstoffe möglichst weitreichend zu entfernen. Gleichzeitig lag der Fokus darauf, neben den Indikatororganismen für Fäkalverunreinigungen auch Krankheitserreger, besonders die Viren zu untersuchen, und zu bewerten. Es ist besteht das Interesse eine zukunftsweisende und kompakte Technologie, die alle Ziele umfasst, zu realisieren.

Ozone process control in secondary effluent used for elimination of trace organic compounds (TrOCs) requires the use of surrogates, such as the relative reduction of UV absorption at 254 nm (DUVA254) to adapt the ozone dose to a varying water quality. In the present study, a closed-loop process control based on two online UVA254 measurements was successfully implemented and tested under realistic conditions with ozone doses from 0.2 to 1.05 mg-O3/mg-DOC at a pilot scale ozonation system with subsequent coagulation filtration at a municipal wastewater treatment plant (DOC ~ 13 mg/L, UVA254 ~27m-1, and nitrite peaks of up to 1.6 mg-N/L). It could be shown that measuring the UVA254 at the ozonation effluent was superior to the measurement of UVA254 at the filter effluent in terms of response time due to changes in water quality, whereas online measurement at the filter effluent showed a better agreement with laboratory data and a reduced maintenance interval due to less particles. Additional online nitrite measurement is not necessary as the ozone consumption by nitrite directly impacts DUVA254.

Ozonation is known as a suitable technical process to eliminate trace organic compounds (TrOC) in secondary effluent. To decide if ozonation is a suitable option as an upgrade of a specific wastewater treatment plant (WWTP), ozonation experiments in laboratory-scale can help to avoid the operation of expensive and labour intensive pilot plants. Such laboratory experiments should be conducted at similar conditions and by the same methods in order to achieve a better comparability of the results. In this study, potential impacts of sample dilution due to the addition of an ozone stock solution, water temperature, and concentration of suspended solids (TSS) on TrOC elimination and UVA254 reduction (delta UVA254) were investigated. The results show that a change in water temperature within a range of 10 to 30°C and sample dilution of less than 20% due to the addition of ozone stock solution at batch ozonation, respectively, does neither have a significant impact on achieved TrOC elimination nor or delta UVA254. Suspended solids affected the TrOC elimination and delta UVA254 at TSS concentrations of more than 30 mg/L, whereas at low TSS concentrations (< 4 mg/L), the impact of TSS was found to be neglectable.

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Machbarkeitsstudien für die Aufrüstung von Kläranlagen mit einer weitergehenden Reinigungsstufe zur Reduzierung der Einleitung von organischen Spurenstoffen in Oberflächengewässer durchgeführt. Die eingesetzten technischen Maßnahmen basieren meistens auf der adsorptiven Wirkung von granulierter (GAK) bzw. pulverförmiger Aktivkohle (PAK) oder der Oxidation mittels Ozon. Während Spurenstoffe bei der Adsorption an die Aktivkohle physisch aus dem Wasser entfernt werden, so werden diese bei der Reaktion mit Ozon in andere Moleküle transformiert. Daher ist eine Spurenstoffelimination in diesem Zusammenhang als Primärelimination aufzufassen. Für einen ökonomischen und effizienten Betrieb dieser technischen Maßnahmen sind geeignete Steuer- und Regelungskonzepte erforderlich. Da eine Onlinemessung der Zielsubstanz(en) aufgrund des analytischen Aufwands nicht möglich ist, werden andere Indikatoren für die Dosisanpassung an eine variierende Wasserqualität benötigt. Ein häufig verwendeter Indikator zur Abschätzung der Spurenstoffelimination ist die auf den gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) bezogene Ozonzehrung (mg O3 / mg DOC), die beispielsweise für eine frachtproportionale Steuerung verwendet werden kann. Diese Steuerung erlaubt jedoch keine direkte Prozesskontrolle und zur Berücksichtigung des stark ozonzehrenden Nitrits (3,4 mg O3 / mg-N) kann ein zusätzlicher Messaufwand nötig sein. Eine Alternative dazu bildet die relative Abnahme des spektralen Absorptionskoeffizienten SAK254 (delta SAK254), für welche in mehreren Studien wie z.B. [1-5] eine Korrelation mit der Spurenstoffeliminierung verschiedener Substanzen beschrieben wurde. Das erzielte delta SAK254 wird dabei von der effektiven Ozonzehrung im Wasser beeinflusst, so dass eine veränderte Wasserqualität entsprechend detektiert und durch eine Anpassung der Ozondosis ausgeglichen werden kann. Die Verwendung einer Regelung mit dem Ziel eine konstante SAK254 – Reduzierung und damit auch eine entsprechend konstante Spurenstoffelimination zu gewährleisten, bietet daher auch den Vorteil einer direkten Prozesskontrolle. Auf eine zusätzliche Onlinemessung des Nitrits kann ebenfalls verzichtet werden. Die Verwendung des delta SAK254 könnte auch für eine Pulveraktivkohledosierung interessant sein, da in den Arbeiten von [6; 7] ebenfalls ein Zusammenhang zwischen dem delta SAK254 und der Spurenstoffelimination gezeigt werden konnte.