Spurenstoffbilanzierung unter Anwendung von Vorwärtsosmose und Ozonung als weitergehende Reinigungsschritte

Abstract

In der aktuellen Novellierung der EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) im Jahr 2024 liegt ein Hauptaugenmerk auf der Entfernung von organischen Spurenstoffen, wie beispielsweise Arzneimittel oder Pflanzenschutzmittel, aus kommunalem Abwasser anhand von weitergehenden Technologien. Diese Diplomarbeit untersucht das Verhalten von Spurenstoffen unter Anwendung einer Kombination aus den beiden Verfahren Vorwärtsosmose und Ozonung. Bei der Vorwärtsosmose handelt es sich um ein in der Abwasserreinigung eher unbekannteres Verfahren. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Kombination der beiden Verfahren. Es erfolgte eine Analyse des Verhaltens der Spurenstoffe sowohl bei den beiden Verfahren einzeln als auch in Kombination, um die Leistung und potenzieller Einschränkungen der einzelnen Verfahren zu untersuchen. Für die Vorwärtsosmose wurden Laborversuche mit synthetischem Abwasser (Feed 1) und mit Abwasser einer Abwasserreinigungsanlage (Feed 2) durchgeführt. Es kamen dabei drei verschiedene Zuglösungen (Natriumchlorid, Magnesiumchlorid und Magnesiumsulfat) zum Einsatz. Bei der Zuglösung in der Vorwärtsosmose handelt es sich um eine konzentrierte Lösung, welche durch die Bildung des osmotischen Drucks Wasser aus einer niedrigeren konzentrierten Lösung, durch eine Membran, anzieht. Durch die Vorwärtsosmose wird eine Aufkonzentration der organischen Abwasserinhaltsstoffe bei gleichzeitiger Volumenreduktion im Konzentrat erreicht. Die Feed/Konzentrate aus der Vorwärtsosmose wurden anschließend ozoniert. Die Ozonung wurde als Batch-Ozonung ausgeführt. Aufgrund des Probenumfangs wurden nur die Proben von Feed 2 (Realabwasser) mit Ozon behandelt. Die unbehandelten rohen Proben und die Proben nach der Vorwärtsosmose wurden mit drei ausgewählten spezifischen Ozondosen 0,2 gO3 g-1 DOC, 0,5gO3g-1DOC und 0,8gO3g-1DOC neutralisiert. In den Ergebnissen wurde jeweils das Verhalten von ausgewählten Spurenstoffen und Wasserqualitätsparameter, vor sowie nach der Vorwärtsosmose und der Ozonung, analysiert. Für einen Überblick wurden die folgenden unterschiedlichen Aspekte der organischen Matrix betrachtet. Dazu zählen die Parameter BSB, CSB und DOC bzw. der ∆SAK254-Wert, welcher als Surrogat-Parameter für die gesamten organischen Substanzen mit Ringstrukturen dient. Zusätzlich wurden aufgrund der Aktualität in ausgewählten Proben per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) untersucht. Die Spurenstoffbilanzierung erfolgte vom behandelten Rohwasser bis nach der Ozonung. Darüber hinaus wurde der Energieverbrauch der beiden Verfahren aus den Laborversuchen berechnet. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass bei steigender Volumenreduzierung und steigender Ozondosis die besten Entfernungen der Spurenstoffe erzielt wurden. Zudem spielt die Art der Zuglösung im Prozess der Vorwärtsosmose eine wichtige Rolle. In der Ozonung ist die Wahl der spezifischen Ozondosis entscheidend. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Kombination aus Vorwärtsosmose und Ozonung eine interessante Verfahrenskombination zur Entfernung organischer Spurenstoffe in der Abwasserreinigung darstellt.

The current revision of the EU Urban Wastewater Treatment Directive (UWWTD) in 2024 focuses on the removal of micropollutants such as pharmaceuticals or pesticides, from municipal wastewater using advanced technologies. This thesis investigates the behaviour of micropollutants using a combination of the two processes forward osmosis and ozonation. Forward osmosis is a relatively unknown process in wastewater treatment. The focus of the work is on the combination of the two processes. An analysis of the behaviour of the micropollutants in both methods individually and in combination was carried out to examine the performance and potential limitations of each method.For the forward osmosis analysis, laboratory tests were carried out with synthetic wastewater (Feed 1) and with wastewater from a wastewater treatment plant (Feed 2). Three different draw solutions (sodium chloride, magnesium chloride and magnesium sulfate) were used. The draw solution in forward osmosis is a concentrated solution which draws water from a less concentrated solution through a membrane by creating osmotic pressure. Forward osmosis achieves a concentration of the organic wastewater constituents with a simultaneous reduction in volume in the concentrate. The feed/concentrates from the forward osmosis were then ozonated. Ozonation was carried out as batch ozonation. Due to the sample size, only the samples from feed 2 (raw wastewater) were treated with ozone. The untreated raw samples and the samples after forward were neutralized with three selected specific ozone doses of 0.2 gO3g-1 DOC, 0.5gO3g-1DOC and 0.8gO3g-1DOC. The results analysed the behaviour of selected micropollutants and water quality parameters before and after forward osmosis and ozonation. The following different aspects of the organic matrix were analysed to provide an overview. These include the parameters BOD, COD and DOC and the ∆UV254 (∆SAC254) value, which serves as a surrogate parameter for the total organic substances with a ring structure. In addition, perfluorinated and polyfluorinated alkyl substances (PFAS) were analysed in selected samples due to their topicality. A micropollutant mass balance was carried out from the treated raw water to after ozonation. In addition, the energy consumption of the two processes was calculated from the laboratory tests. The results show that the best removal of micropollutants was achieved with increasing volume reduction and increasing ozone doses. In addition, the type of the draw solution plays an important role in the forward osmosis process. In ozonation, the choice of the specific ozone dose is decisive. The results show that the combination of forward osmosis and ozonation is an interesting process combination for the removal of organic micropollutants in wastewater treatment.