Decoding Spurenstoffe - Implementierung einer intelligenten Monitoring- und Steuerungszentrale für eine ressourceneffiziente Spurenstoffelimination aus Abwasser

Organische Spurenstoffe aus anthropogenen Wirkstoffen in Industriechemikalien, Haushaltschemikalien, Arzneimitteln oder Bioziden treten ubiquitär in der Umwelt in geringen Konzentrationen auf (ng/L bis µg/L). Einleitungen über das kommunale Abwassersystem sind ein dominierender Eintragspfad dieser Stoffe in die Gewässer. Die weitergehende Abwasserreinigung wird daher vermehrt mit separaten Eliminationsstufen zur Verminderung von Spurenstoffeinträgen aus Punktquellen betrieben, vorwiegend mit Verfahren der Aktivkohleadsorption oder Oxidation mit Ozon. Allerdings bedarf die gezielte Entfernung von Spurenstoffen zusätzliche Energie und erzeugt einen signifikanten Mehrausstoß an Treibhausgasen. Die Höhe der notwendigen Dosierung von Ozon oder Aktivkohle hat einen signifikanten Einfluss auf den CO2-Fußabdruck der weitergehenden Abwasserreinigung. Das Forschungsprojekt DecS setzt sowohl bei der Gestaltung einer nachhaltigen Spurenstoffelimination als auch bei der Schaffung der dafür notwendigen Voraussetzungen an. Es verfolgt neben der Entwicklung einer kontinuierlichen Erfassung von organischen Spurenstoffen im Abwasser auch eine validierte mathematische Modellierung und Simulation der verschiedenen Eliminationsprozesse. Die Digitalisierung als maßgeblicher Treiber wird im Rahmen von DecS genutzt, indem kontinuierlich erfasste Messdaten intelligent verarbeitet, mit einem digitalen Modellabbild (Digitaler Zwilling) der Kläranlagen vernetzt und zur Prozessoptimierung genutzt werden. Das Forschungsvorhaben DecS wurde von einem Konsortium bestehend aus dem Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel, dem Ingenieurbüro Weber-Ingenieure GmbH in Pforzheim, der UNISENSOR Sensorsysteme GmbH in Karlsruhe, dem Institut für Automatisierung und Kommunikation (ifak e. V.) in Magdeburg sowie dem Lippeverband (EGLV) als Kläranlagenbetreiber in enger Abstimmung mit dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bearbeitet. Der Leistungsumfang des Projektes beinhaltete sechs Arbeitspakete, die im Zeitraum 04/2021 bis 10/2023 unter Koordination der Universität Kassel bearbeitet wurden. Die maßgeblichen Schlussfolgerungen und Ergebnisse sind nachfolgend den einzelnen Arbeitspaketen zugeordnet aufgeführt: AP 1: Intelligente Monitoringzentrale für organische Spurenstoffe In Zusammenarbeit mit dem Institut für Chemische Analytik der Universität Duisburg-Essen wurde das kontinuierliche Messsystem WATERTRACE™ maßgeblich vorangetrieben und für die Spurenstoffe Benzotriazol und Diclofenac zufriedenstellend kalibriert. Das zwei Jahre andauernde Monitoring-Programm auf den Kläranlagen Dülmen und Bad Sassendorf ergab umfangreiche Daten zu Spurenstoffkonzentrationen im Zuund Ablauf der Kläranlagen, zur Leistung der weitergehenden Abwasserreinigung sowie zur Zulaufdynamik. AP 2: Datengeleitete Modellierung der Eliminationsprozesse Die Kalibrierung gängiger Modelle für die Spurenstoffadsorption und -oxidation wurde maßgeblich optimiert, daneben erfolgte eine vertiefte Auseinandersetzung mit weiteren Einflussgrößen für die Modellierung der Adsorption (Adsorptionskinetik, Kreislaufführung von Pulveraktivkohle) sowie der Ozonung (Feststoffgehalt). AP 3: Digitale Steuerungszentrale für eine ressourceneffiziente Spurenstoffelimination Das Simulationsmodell der Kläranlage Dülmen (Adsorption an Pulveraktivkohle) wurde erfolgreich implementiert und validiert, zusätzlich erfolgte die Erarbeitung erster Modellansätze für Filter mit granulierter Aktivkohle und Oxidationsprozesse mit Ozon. AP 4: Implementierung in digitalen Reallaboren Die Anwendung des Digitalen Zwillings der Kläranlage Dülmen als Beobachtermodell und als modellprädiktiver Regler erbrachte wesentliche Erkenntnisse zur Wirksamkeit verschiedener Betriebskonzepte und identifizierte ein Einsparpotential für Aktivkohle von bis zu 10 %. AP 5: Sicherstellung und Gewährleistung der Übertragbarkeit Die im Rahmen von DecS erarbeiteten Automatisierungslösungen für den Betrieb von Anlagen zur weitergehenden Abwasserreinigung mit Spurenstoffelimination werden in einer allgemein gefassten Funktionsbeschreibung zur Verfügung gestellt. AP 6: Projektleitung und Kommunikation Wesentliche Ergebnisse aus dem Projekt wurden im Rahmen von wissenschaftlichen Tagungen vorgestellt sowie als wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht.