Advanced Wastewater Treatment for Micropollutant and Phosphorus Removal – Using Granular or Powdered Activated Carbon: Efficiency, Residuals and Synergistic Effects

The use of Activated Carbon (AC) for the removal of anthropogenic Organic Micropollutants (OMP) from the effluent of Wastewater Treatment Plants (WWTP) to protect the environment and drinking water resources is actively being practised in various forms. This dissertation aims to build on the AC technologies available by analysing the use of Granular Activated Carbon (GAC) and superfine Powdered Activated Carbon (sPAC) for the removal of OMP and the associated synergy effects such as phosphorus and solids removal. Possibilities for monitoring the residual AC concentration were investigated and applied to understand the influence of operating variables on the residual AC.

The operation of two continuous GAC filters (with/without pre-ozonation) demonstrated their suitability for OMP removal and that the achievable removal was primarily influenced by the selection of a suitable AC. The importance of pre-filtration to avoid operational faults also became evident during operation. At the same time, the continuous operation of the filters, which allows the GAC to be backwashed without interrupting filter operation, also posed new challenges. During backwashing, an increased discharge of solids, phosphorus and residual AC was observed. Residual AC increased with higher intensity and duration of backwashing. The periodically occurring discharge of solid and residual AC could be monitored through the utilization of online probes designed to measure UV-absorbance. This measurement could serve as an indirect surrogate for both solid and residual AC.

Furthermore, transmitted and scattered light were tested as possible surrogate parameters for quantifying residual AC concentrations. It was found that the smaller the particle diameter of the AC, the steeper the correlation line between concentration and turbidity (measured by scattered light) and absorption at wavelength of 550 nm (measured by transmitted light). However, the use of metal salts such as iron and aluminium salts resulted in alterations to particle size due to the flocculation of AC, thereby affecting the correlation between AC concentration and turbidity.

The investigation of the combined process of sPAC dosing prior to a Pile Cloth Media Filter (PCMF) proved to be a suitable process for the advanced removal of OMP. Due to the smaller average particle size of the sPAC used, around 1 µm, it was possible to reduce the contact time to < 2 min and thus reduce the contact reactor volume. Optimum flocculation of the sPAC using coagulants and a suitable ultrafiber Pile Cloth Media were key factors for sufficient retention. Through the use of coagulants and subsequent filtration, total phosphorus removal to < 50 µg/L and a solids reduction to < 1 mg/L were also achieved. The measurement of turbidity proved to be a suitable option for monitoring the flocculation and retention of sPAC and the operation of the PCMF, allowing detection of an AC concentration of < 0.2 mg/L in the PCMF effluent.

Der Einsatz von Aktivkohle zur Entfernung von anthropogenen organischen Spurenstoffen aus dem Ablauf von Kläranlagen zum Schutz der Umwelt und der Trinkwasserressourcen wird bereits in verschiedenen Ausführungen praktiziert. Im Rahmen dieser Dissertation wurde der Einsatz von granulierter Aktivkohle und superfeiner Pulveraktivkohle zur Entfernung von Spurenstoffen sowie die damit verbundenen Synergieeffekte wie Phosphor- und Feststoffentfernung untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Untersuchung der Möglichkeiten zur Überwachung des Aktivkohleschlupfes sowie die Einfluss- und die Betriebsgrößen auf den Aktivkohleschlupf.

Der Betrieb von zwei kontinuierlichen granulierten Aktivkohlefiltern (mit/ohne Vorozonung) zeigte die Eignung des Verfahrens für die Spurenstoffentfernung und verdeutlichte, dass die erreichbare Entfernung vor allem durch die Auswahl einer geeigneten Aktivkohle beeinflusst wird. Die Notwendigkeit einer Vorfiltration zur Vermeidung von Betriebsstörungen wurde während des Betriebs ebenfalls deutlich. Durch den kontinuierlichen Betrieb der Filter, der eine Rückspülung der granulierten Aktivkohle ohne Unterbrechung des Filterbetriebes ermöglicht, ergaben sich jedoch auch neue Herausforderungen. So wurde während der Rückspülung in Abhängigkeit von der Intensität und Dauer der Rückspülung ein erhöhter Austrag von Feststoffen, Phosphor und Aktivkohleabrieb festgestellt. Der periodisch auftretende Feststoff- und Aktivkohleabriebaustrag konnte durch den Einsatz von Onlinesonden zur Messung des spektralen Absorptionskoeffizient überwacht werden, wodurch diese als Surrogatmessungen für den Feststoffaustrag und den Aktivkohleschlupf eingesetzt werden konnten. Zur Überprüfung der Eignung weiterer Surrogatparameter wurde untersucht, inwieweit die Trübung bzw. Absorption bei 550 nm zur Bestimmung der Aktivkohlekonzentration geeignet ist. Es zeigte sich, dass je kleiner der Partikeldurchmesser der Aktivkohle war, desto steiler verlief die Korrelationsgerade zwischen Konzentration und Trübung bzw. Absorption bei 550nm und desto genauer konnte die Aktivkohlekonzentration bestimmt werden. Dabei zeigte sich, dass der Einsatz von Metallsalzen wie Eisen und Aluminium durch die Flockung der Aktivkohle zu einer Änderung der Partikelgröße und damit zu einer Veränderung der Korrelation zwischen Konzentration und Trübung führte.

Die Untersuchung des kombinierten Verfahrens von superfeiner Aktivkohle in Kombination mit einem Polstofffilter erwies sich als ein geeigneter Prozess für die weitergehende Spurenstoffentfernung. Durch die geringere mittlere Partikelgröße von etwa 1 µm der eingesetzten superfeinen Pulveraktivkohle war eine Reduzierung der Kontaktzeit auf < 2 min möglich und damit eine Reduktion des Kontaktbeckenvolumens möglich. Als wesentliche Faktoren für einen ausreichenden Rückhalt der superfeinen Pulveraktivkohle erwiesen sich die optimale Flockung der superfeinen Pulveraktivkohle durch Metallsalze sowie die Verwendung eines geeigneten Ultrafaser Polstoffes. Durch den Einsatz der Metallsalze und der anschließenden Filtration wurde eine Phosphorentfernung auf < 50 µg/L sowie eine Feststoffentfernung auf < 1 mg/L erreicht. Die Messung der Trübung erwies sich als geeignete Option zur Überwachung der Flockung und Rückhalts der superfeinen Pulveraktivkohle und des Betriebs des Polstofffilters. So konnte eine Aktivkohlekonzentration von < 0,2 mg/L im Filterablauf nachgewiesen werden.