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Erste Phase des Projektes: Entwicklung eines integrierten Steuerungs- und Betriebsverfahrens für die Teilsysteme Kanalnetz und Kläranlage zur deutlichen Reduzierung der Gewässerbelastung

Die itwh GmbH wurde mit der Entwicklung eines integrierten Steuerungs- und Betriebsverfahrens für die Teilsysteme Kanalnetz und Kläranlage zur Emissionsverringerung von Gewässern betraut. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Regelungskonzepten, mit denen der Kläranlagenzufluss bei Regenereignissen als Stellgröße flexibel an die verfügbaren Kläranlagenkapazitäten angepasst werden kann. Somit könnten vorhandene Abwassersysteme gesamthaft effizienter genutzt und die Emissionen aus dem Kanalnetz in die Gewässer verringert werden. Um die in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU, 2000) vorgegebene Zielsetzung der guten ökologischen Gewässerqualität erreichen zu können, ist als Beitrag der Siedlungswasserwirtschaft eine Betriebsoptimierung des gesamten Abwassersystems nötig. Die itwh GmbH führt in dem geplanten Forschungsprojekt in dieser ersten Phase Untersuchungen zur Identifikation der Mess- und Regelungsgrößen durch, mit denen der bei Regenwetter stark schwankende Zufluss aus dem Einzugsgebiet an die hydraulische Kapazität und an die verfügbare Reinigungsleistung angepasst werden kann. Die Messgrößen müssen eine zuverlässige Vorhersage des Verhaltens der Kläranlage in Abhängigkeit des Zuflusses ermöglichen. Zum Einsatz kommt ein beim itwh entwickeltes Fuzzylogic-basiertes Regelungstool, das die wesentlichen Messdaten der Kläranlage über verbal formulierte Regeln als Störgrößen einbezieht. Weitergehende Modellansätze liefern darüber hinaus Prognose-Störgrößen, um durch den Zeitgewinn die Sicherheit der Regelung zu optimieren. Die Auswertung vorliegender Messdaten führt zu Erkenntnissen hinsichtlich kritischer Prozesse bei Mischwasser und werden genutzt, um Konzepte zur Regelung des Mischwasserzuflusses zu entwerfen. Dabei kommen empirische und halbdeterministische Ansätze zum Einsatz. Aufgrund der hohen Komplexität geeigneter deterministischer Modelle wird die hydraulische Kapazität der Nachklärung nur durch empirisch ermittelte Steuerfunktionen (Regression oder Fuzzyregeln) beschrieben. Die itwh GmbH untersucht die Umsetzbarkeit und den ökologische Nutzen einer Steuerung des Zuflusses zur Kläranlage am Beispiel der simulativen integrierten Lastfallstudie Chemnitz. Dazu wird ein gekoppeltes Modell von Kanalnetz (Hystem-Extran-Güte, itwh) und Kläranlage (ifak) erstellt. Die Modellkopplung und Steuerung wurde durch das Programm itwh-Control realisiert. Mit dem Gesamtmodell werden die Emissionen in das Gewässer von Kanalnetz und Kläranlage für fünf Regenereignisse unterschiedlicher Intensität und Dauer ermittelt. Durch die Erhöhung des zulässigen Zuflusses wird eine Reduzierung der emittierten Gesamtfracht ermittelt, ohne dass es zu einer Überschreitung der zulässigen Ablaufgrenzwerte kam. Bei schwachen, lang anhaltenden Ereignissen wird die Emission um bis zu 23% reduziert und leistet einen deutlichen Beitrag zur Umweltentlastung. (Text gekürzt)

Entfernung von toxischen Schwermetallen aus industriellen Abwässern unter Verwendung immobilisierter Makroalgenbiomasse

Mit dem Projekt wird das Ziel verfolgt, ein wirtschaftlich einsetzbares Verfahren zur Schwermetallentfernung auf der Grundlage von Algenbiomasse zu entwickeln. Die Grundlage für die Antragstellung bilden die Ergebnisse, die zur Abtrennung von Schwermetallen aus der wässrigen Phase im Sonderforschungsbereich 193 der Deutschen Forschungsgemeinschaft 'Biologische Behandlung industrieller und gewerblicher Abwässer' an der Technischen Universität Berlin in der 3. und 4. Förderphase von 1997 bis 2001 unter Verwendung von Mikroalgenbiomasse erreicht wurden. Mit dem Forschungsvorhaben soll versucht werden, dem Problem der Bereitstellung preiswerter Biomasse näher zu kommen. Hierzu können marine Makroalgen, die aus dem Meer gewonnen werden oder die bereits zur Wertstoffgewinnung verwendet werden, dienen. Bisher sind in den Teilprojekten F2 und F3 des Sonderforschungsbereichs 193 der Deutschen Forschungsgemeinschaft 30 verschiedene Mikroalgen aus unterschiedlichen Bezugsquellen eingesetzt worden. Der gegenwärtige Stand der Untersuchungen im Hinblick auf Aufnahmekapazität und -geschwindigkeit der Schadstoffe lässt Rückschlüsse auf eine erfolgversprechende technische Anwendungsmöglichkeit zu. Voraussetzung dafür ist die Lösung des Problems des durch die Kultivierungsbedingungen für die Mikroalgen noch zu hohen Preises für die Biomasse. Zeigen Makroalgen im Vergleich zu den Mikroalgen ähnliche positive Eigenschaften im Hinblick auf die Aufnahmefähigkeit (Kapazität, Selektivität) für Schwermetallionen, so könnten Immobilisate auf der Basis von Makroalgenbiomasse eine Alternative darstellen. Neben den bereits im Sonderforschungsbereich 193 eingesetzten Metallen Blei, Nickel, Cadmium, Zink und Kupfer ist die Ausdehnung der Untersuchungen auf weitere Metalle geplant, die als Kontaminationen in der Abwasseraufbereitung unterschiedlicher Herkunftsquellen eine wichtige Rolle spielen. Vorgesehen ist eine Erweiterung auf die Metalle Chrom (Cr+3) und Arsen (As). Der Schwerpunkt der Untersuchungen sollte auf industriell nutzbaren preiswerten Makroalgen liegen, die in großer Menge als Biomassenquelle vorhanden sind und leicht beschafft werden können.

Toximeter: Toxizitätsmessungen zur Bewertung des Risikos gewerblicher Abwässer für die Abwasserreinigung

Der Cocktail an verschiedenen Stoffen im Abwasser hemmt die sehr empfindlichen Bakterien beim biologischen Abbauprozess in unseren Kläranlagen (z.B. Nitrifikation). Das führt zu ökologischen und wirtschaftlichen Schäden. Ziel war es nun, durch eine Überwachung der Industrie bestimmte toxische Stoffe zu lokalisieren und eine Einleitung in die Biologie der Kläranlage zu verbieten, um so die Umwelt zu schützen. Im Forschungsprojekt Toximeter wird seit 2009 ein Nitrifikanten-Toximeter kontinuierlich mit einem Abwasserteilstrom befüllt und die Aktivität der Bakterien ermittelt. Sobald diese um mehr als 80 Prozent gehemmt werden, wird automatisch eine Probe gezogen und im Labor auf toxische Einzelstoffe untersucht. Mit dem DWA-Netzwerk, unserem Industriekataster und akkreditierten Labor steht erstmals ein Konzept zur Verfügung, um verursachende Einleiter in die Verantwortung zu nehmen. Neben der Kontrollmöglichkeit für Kläranlagenbetreiber könnte das Überwachungssystem als Vorsorge bereits beim Indirekteinleiter installiert werden. Frühzeitig wird stoffbezogen eine Vorbehandlung durchgeführt und die Ableitung verhindert. Ergebnisse des Projekts: Das im Projekt verwendete Nitrifikanten-Toximeter wurde im Kanal und Klärwerk betrieben und mit dem Standardtestverfahren für Nitrifikationshemmung DIN EN ISO 9509 verglichen. Messungen wurden durchgeführt - im Abwasserstrom waren deutliche Hemmungen nachweisbar. Mit Hilfe der gezielten, rückgestellten Probe aus dem Toximeter und umfangreichen Recherchen gelang die erfolgreiche Auflösung der wiederholt auftretenden Hemmung im Klärwerk Waßmannsdorf. Allerdings gibt es immer noch Unwägbarkeiten, z.B. die Beeinflussung der Toxizität durch Ablagerungen im Ansaugschlauch und Störungen der Sauerstoffsonde. Um mit dieser Methode eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, ist der Wartungsaufwand hoch und die Wirtschaftlichkeit für einen flächendeckenden Einsatz nicht gegeben. Hier gab und gibt es auf dem Markt eine stetige Neu- und Weiterentwicklung kommerzieller aktiver oder auch passiver Testsysteme, die zu beobachten ist.

Kurzstudie über den Einsatz von Membranbelebungsverfahren zur Abwasserreinigung auf Hütten im alpinen Bereich am Beispiel der Mannheimer Hütte und der Oberzalimhütte der Sektion Mannheim des DAV

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Während des 3. Internationalen Fachseminars Umweltgerechte Ver- und Entsorgungskonzepte für Berg- und Schutzhütten der Deutschen Bundesstiftung Umwelt am 28.02./01.03.2003 in Benediktbeuern wurde unter anderem die Reststoffproblematik bei der Abwasserreinigung diskutiert. Im Zuge dieser Gespräche wurde die Reinigung von Abwasser mittels membranbiologischer Verfahren aufgegriffen und kontrovers diskutiert. Ein Ergebnis dieser Diskussion war der Wunsch, eine Kurzstudie zum Einsatz der Membranbelebungsverfahren in der Abwasserreinigung im Gebirge anhand eines Projektbeispiels zu erstellen. Die Kurzstudie Einsatz von Membranbelebungsverfahren zur Abwasserreinigung auf Hütten im alpinen Bereich wurde im Jahr 2003 bewilligt, anhand von zwei konkreten Abwasseranlagen im alpinen Raum Membranbelebungsanlagen zu dimensionieren sowie Vor- und Nachteile und Randbedingungen zu nennen. Im Rahmen der zur Studie notwendigen Herstellerrecherche wurde deutlich, dass für diese Anlagen zum damaligen Zeitpunkt noch keine verwertbaren Erfahrungsberichte vorlagen. Die genannten Ziele der Studie konnten somit nicht befriedigend erreicht werden. Weiterhin sollten nach Diskussion mit der DBU Erfahrungen aus dem Bau der Membranbelebungsanlage der Olpererhütte mit in diese Studie einfließen. Aus diesem Grund wurde die Fertigstellung der Kurzstudie verschoben und die Studie inhaltlich erweitert. Zusätzlich wurden in den letzten Jahren vor allem in Tallagen sehr viele Erfahrungen auf dem Gebiet der Membranbelebungsanlagen gesammelt. Die Betriebserfahrungen sollen einen Überblick über den Einsatz dieser Anlagen im alpinen Bereich geben. Die bereits im vorgehenden Antrag durchgeführten Leistungen flossen in die Folgestudie ein. Fazit: Die Erfahrungen aus der Installation einer Membranbelebungsanlage auf der Olpererhütte haben unter anderem gezeigt, dass -die Anlage in das Energiekonzept eingepasst werden muss -auf eingesetzte Materialien geachtet werden muss -ein geordneter Überlauf vorhanden sein muss (Notfall) -die Probenahmestellen an der Anlage gut zugänglich und sinnvoll angeordnet sein müssen -alle Mess-und Schalteinrichtungen gut zugänglich sein müssen und -ein Entleeren der Becken (z.B. für Wartungszwecke) möglich sein muss. -die gewählten Baumaterialien auch unter den feuchten Bedingungen im Gebirge lange beständig sein müssen -die im DAV bereits seit vielen Jahren angesammelte Erfahrung mit der Abwasserreinigung im Gebirge mit einzubringen. Die nächsten Jahre werden zeigen, wie sich Membranbelebungsanlagen im Betrieb bewähren. Generell wird davon ausgegangen, dass Membranbelebungsanlagen auf Hütten im alpinen Bereich sinnvoll eingesetzt werden können. Gerade bei oft geringem Platzangebot und/oder hoher Anforderungen an die hygienische Ablaufqualität wird die Membranbelebungsanlage eine sinnvolle Lösung zur Abwasserreinigung sein, wenn ausreichend Energie zur Verfügung steht. (Text gekürzt)

Sonderabfall und Deponieverfahren

Verwertung und schadlose Beseitigung von Sonderabfaellen durch thermische Verfahren. Betrieb von Labor- und Technikumsanlagen zur Abfallverbrennung mit reinem Sauerstoff. Entwicklung einer zweistufigen Wirbelschichtanlage zur Verbrennung fluidisierbarer Produktionsrueckstaende. Entwicklung und praxisnahe Erprobung von on-line- und in-situ-Sensoren zur Emissionskontrolle von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) in Aerosolform. Untersuchungen zum Verhalten von Schadstoffen an Aktivkohlen und Zeolithen bei der trockenen Rauchgasreinigung. Verfestigung von Rueckstaenden aus der Rauchgasreinigung. Pyrolyse von Klaerschlamm und Einsatz des Pyrolysekokses bei der Abwasserreinigung und Behandlung frischer Klaerschlaemme.

Biologie der Abwasserbehandlung mit Algen-Bakterien-Systemen

Abklaerung der Wechselwirkungen zwischen Algen und Bakterien bei der Abwasserreinigung im Algengraben. Untersuchungen zum Stoffwechsel definierter und 'natuerlicher 'Algen-Bakterien-Mischkulturen zur Kinetik des Abbaus wichtiger organischer Laststoffe und zur Rolle mikrobieller Metabolite.

Solare Photochemie: Photooxidation verschiedener organischer Verbindungen

In dem Projekt ist es das Hauptziel, bei Photooxidationen (Gegenwart von Luftsauerstoff und Bestrahlung mit sichtbarem Licht (solare Einstrahlung und kuenstliche Lichtquelle) Abwasserreinigung und Synthese von Feinchemikalien durchzufuehren. Dazu wurden bisher Photooxidationen der toxischen Substrate Thiole, Sulfid und Phenole durchgefuehrt. Durch Verwendung von Photosensibilisatoren, die im sichtbaren Bereich absorbieren, kann eine weitgehende Mineralisierung u.a. von Phenolen (auch chlorierten Phenolen) erreicht werden. Mit der solarphotochemischen Synthese von Feinchemikalien ist jetzt begonnen worden.

Modellierung der selektiven Abtrennung von Zink durch gewebegestützte Flüssigmembranen

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Stoffaustausch von Zink durch gewebegestützte Flüssigmembranen erforscht. Basierend auf einer Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes durch pH-Wert Änderungen wird Zink mit Hilfe des Ionentauschers DEHPA selektiv aus Abwasser abgetrennt und aufkonzentriert. Verschiedene Membrantypen, Einflüsse von oberflächenaktiven Substanzen und andere Wechselwirkungsparameter werden untersucht. Forschungsziel ist, den Stoffdurchgang zu modellieren um einen industriellen Einsatz zu ermöglichen.

ARRIVED - Klimafreundliche und ressourceneffiziente Anwendung der Wasserelektrolyse zur Erzeugung von regenerativen Speichergasen kombiniert mit einer weitergehenden Abwasserbehandlung zur Mikrostoffelimination auf Kläranlagen

Der Wirtschaftsbetrieb Mainz AöR (kurz: WBM) ist eine Einrichtung der Stadt Mainz, in der Rechtsform einer rechtsfähigen Anstalt des öffentlichen Rechts mit Sitz in Mainz. Der WBM besteht aus den Betriebszweigen Bestattung und Entwässerung. Im Bereich Entwässerung ist der WBM zuständig für die Ableitung, Reinigung und unschädliche Beseitigung der Abwässer im Gebiet der Stadt Mainz und der Verbandgemeinde Bodenheim. An das Zentralklärwerk sind rd. 225.000 Einwohner sowie Gewerbe und Industrie angeschlossen. Die Ausbaugröße ist auf 400.000 Einwohnerwerte festgelegt. Damit gehört das Zentralkraftwerk Mainz zu den größten kommunalen Kläranlagen in Rheinland-Pfalz. Mit dem Vorhaben „Klimafreundliche und ressourceneffiziente Anwendung der Wasserelektrolyse zur Erzeugung von regenerativen Speichergasen kombiniert mit einer weitergehenden Abwasserbehandlung zur Mikrostoffelimination auf Kläranlagen (ARRIVED)“ plant der WBM den Ausbau/ die Erweiterung der 4. Reinigungsstufe zur Spurenstoffelimination aus einer Ozonung und einer Filterstufe mit granulierter Aktivkohle mit dem Betrieb eines Elektrolyseurs mit einer Nennleistung von ca. 1,25 MW el zu kombinieren. Der Sauerstoff (O 2 ) für die Ozonierung soll überwiegend aus der geplanten Elektrolyse stammen. Dabei ist vorgesehen, die Kläranlage mit einer Wasserelektrolyse und einer Verfahrensstufe zur Mikroschadstoffelimination auszustatten. Beide Verfahrensstufen sollen gekoppelt betrieben werden. Das Vorhaben verknüpft damit die regenerative Energieerzeugung mit der Elimination von Mikroschadstoffen. Das im Elektrolyseur erzeugte regenerative Speichergas Wasserstoff (H 2 ) kann unterschiedlich genutzt werden. Es soll vorrangig ins Erdgasnetz eingespeist werden. Als weiterer Verwendungspfad ist angedacht, den Wasserstoff an den Mainzer ÖPNV oder sonstigen Mobilitätsanwendungen in der Region abzugeben. Um den energiewendedienlichen Betrieb der Elektrolyseanlage sicherzustellen, ist die Teilnahme am negativen Regeldienstleistungsmarkt sowie ein Ausbau der lokalen fluktuierenden erneuerbaren Energien zur Deckung des Grundlastbandes des Elektrolyseurs geplant. Das Vorhaben liefert einen Beitrag zur Energiewende durch die Erzeugung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse und Einspeisung in das städtische Gasnetz. Unter Berücksichtigung der potentiellen Nutzung des erzeugten Wasserstoffs im ÖPNV kann mit dem Vorhaben insgesamt (ÖPNV, 4. Reinigungsstufe, Wasserstoffeinspeisung, Sauerstoff aus Elektrolyse) eine Einsparung von 1.279 Tonnen CO 2 -Äquivalenten pro Jahr erzielt werden. Branche: Wasser, Abwasser- und Abfallentsorgung, Beseitigung von Umweltverschmutzungen Umweltbereich: Wasser / Abwasser Fördernehmer: Wirtschaftsbetrieb Mainz AöR Bundesland: Rheinland-Pfalz Laufzeit: seit 2020 Status: Laufend Förderschwerpunkt: Innovative Abwassertechnik

Forschungsprojekt Klaerschlamm

Klaerschlamm ist das wichtigste Nebenprodukt der Abwasserreinigung. Man hatte lange gehofft, den ausgefaulten Klaerschlamm als Duenger verwenden und die Schlamminhaltsstoffe so wieder in die Naturkreislaeufe zurueckfuehren zu koennen. Die Schadstoffe, die der Schlamm enthaelt, Schwermetalle und xenobiotische organ. Verbindungen stellen jedoch die landwirtschaftl. Wiederverwertung des Schlamms immer mehr in Frage. Es gibt keine Rezepte fuer die Verwertung oder 'Beseitigung' des Schlammes. Die anaerobe Ausfaulung hat sich fast ueberall durchgesetzt. Fuer die meisten Beseitigungsarten braucht es zusaetzliche Behandlungsverfahren. Sowohl die Verbrennung als auch die Deponierung des Schlammes sind mit signifikanten Umweltbelastungen (Belastung der Atmosphaere mit Schwermetallen, Verbrennungsprodukten; Infiltration von Schadstoffen in Grundwasser und Gewaessern) verbunden. Die Verfahrenstechnik Schlamm (biol. Stabilisierung, Flockung, Elutriation, Hygienisierung, Entwaesserungs- und Filterungsprozesse) ist sehr vielseitig. Leider fehlen der EAWAG bisher die Mittel zur Aneignung einer umfassenden Kompetenz in diesen Techniken.

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