Regulatorischer Handlungsdruck zur vierten Reinigungsstufe für Pharmaabwässer

Mikroschadstoffe zählen zu den größten Herausforderungen der modernen Abwasserbehandlung. Zu diesen Stoffen zählen unter anderem Arzneimittelrückstände, Hormone, Biozide, Pestizide sowie weitere organische Spurenstoffe, die bereits in sehr geringen Konzentrationen Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme haben können. Viele dieser Substanzen werden in konventionellen biologischen Reinigungsstufen nur unzureichend entfernt und gelangen über kommunale oder industrielle Abwässer in den Wasserkreislauf.

Mit der Novellierung der EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) und deren bevorstehender Umsetzung in nationales Recht schafft die Europäische Union verbindliche Vorgaben für die weitergehende Entfernung von Mikroschadstoffen. Betroffen sind zunächst Kläranlagen mit einer Ausbaugröße von mehr als 150.000 Einwohnerwerten (EW), später auch Anlagen ab 10.000 EW in definierten Einzugsgebieten.

Insgesamt wird damit ein erheblicher Teil der kommunalen Abwasserinfrastruktur in Europa um Verfahren zur Spurenstoffelimination erweitert. Mit der flächendeckenden Einführung der vierten Reinigungsstufe steigen zugleich die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit moderner Abwasserbehandlung. Parallel dazu wächst der Handlungsdruck auf Unternehmen, geeignete Behandlungskonzepte frühzeitig zu bewerten und ihre Anlagen auf zukünftige Anforderungen vorzubereiten.

Besonders die Pharmaindustrie steht im Fokus der Regulierung. Zum einen können pharmazeutische Wirkstoffe über Produktionsabwässer in die Umwelt gelangen, zum anderen sieht die Richtlinie eine erweiterte Herstellerverantwortung vor, die Pharma- und Kosmetikunternehmen künftig an den Kosten der Spurenstoffelimination beteiligen soll. Damit gewinnen innovative Verfahren zur Entfernung von Mikroschadstoffen sowohl für kommunale als auch für industrielle Abwasserbehandlungen zunehmend an Bedeutung.

Ausgangssituation und Zielsetzung

In Vorbereitung auf die geplante Einführung von Einleitungsbegrenzungen hat ein deutsches Pharmaunternehmen ein Pilotprojekt gestartet, in dessen Rahmen die 4. Reinigungsstufe für die Abwasseraufbereitung des Unternehmens verfahrenstechnisch untersucht und unter betriebswirtschaftlichen Aspekten ausgelegt werden soll. Ziel ist, die im Abwasser nachgewiesenen, durch konventionelle Behandlung nur schwer abbaubaren aktiven pharmazeutischen Inhaltsstoffe (API) zu entfernen. Der Hersteller hat das Unternehmen DAS Environmental Experts mit der Planung und Umsetzung der Pilotanlage beauftragt und als bevorzugtes Verfahren die Behandlung des Abwassers mit Ozon und einer anschließenden Filtration vorgegeben.

Aufbau und Verfahrenskonzept der Pilotanlage

Die Pilotanlage ist als technische Versuchsanlage zur Untersuchung einer weitergehenden Behandlung pharmazeutisch belasteter Abwässer geplant. Sie kombiniert eine Ozonierung mit einer nachgeschalteten biologisch aktivierten Filtration und bildet damit ein Verfahrenskonzept ab, welches Oxidation, Adsorption und biologischen Abbau zu einem besonders nachhaltigen Prozess kombiniert. Ziel der Pilotierung ist es, die Wirksamkeit der einzelnen Verfahrensstufen unter realitätsnahen Betriebsbedingungen zu bewerten und belastbare Auslegungsdaten für eine mögliche großtechnische Umsetzung zu gewinnen.

Das Verfahrenskonzept sieht zunächst den Eintrag von Ozon über einen Venturi-Injektor vor. Durch die intensive Durchmischung mit dem Abwasser wird eine homogene Verteilung des Oxidationsmittels erreicht. Die anschließende Reaktionszeit wird in einem Reaktionsbehälter eingestellt. In dieser Stufe werden organische Spurenstoffe oxidativ verändert oder teilweise abgebaut. Gleichzeitig entstehen Abbauprodukte, die in der nachgeschalteten biologisch aktivierten Filtration abgebaut werden.

Die Biofiltration wird mit drei unterschiedlichen Filtermedien parallel betrieben: Sand, Aktivkohle und Blähton. Dadurch lassen sich verschiedene Wirkmechanismen miteinander vergleichen. Während Sand vor allem als Trägermedium für den biologischen Abbau dient, kombiniert Aktivkohle biologische Prozesse mit adsorptiven Effekten. Blähton ermöglicht die Bewertung eines alternativen Trägermaterials mit spezifischen Oberflächen- und Besiedlungseigenschaften. Durch den flexiblen Aufbau der Pilotanlage sind Parallelversuche an den Filtern mit oder ohne Ozondosierung möglich. Dieser Vergleich erlaubt Rückschlüsse auf den Beitrag der Ozonierung zur Gesamtelimination und zur biologischen Nachbehandlung.

Der Leistungsumfang des Lösungsanbieters umfasst das Prozessdesign, die mechanische und elektrische Planung sowie die Softwareprogrammierung. Hinzu kommen Lieferung und Montage der mechanischen und elektrischen Komponenten, Projektmanagement, Bauleitung und Bauüberwachung sowie die Inbetriebnahme vor Ort. Während der Versuchsphase übernimmt DAS Environmental Experts den Betrieb der Pilotanlage, die Durchführung der Versuche, die Fernwartung sowie die begleitende Probenahme. Zur Bewertung der organischen Belastung werden spektrale Adsorptionskoeffizienzmessungen (SAK₂₅₄) eingesetzt. Ergänzend erfolgen Probenahmen für weitergehende Analysen sowie für Bio-Arrays zur Überwachung der Ökotoxizität des Abwassers vor und nach der Biofiltration. Die Versuchsergebnisse werden ausgewertet und in einem Bericht zusammengeführt.

Die Planung der Pilotanlage erfolgt auf Basis geltender Normen und technischer Regeln, insbesondere DIN, CE und VDE. Die Auslegung der Ozonierung und der Filtrationsstufen orientiert sich an einschlägigen Regelwerken und Empfehlungen, darunter DWA-M 285-2, DWA-M 285-3, DWA-A 203 sowie das VSA-Konsenspapier zur Auslegung diskontinuierlich gespülter Aktivkohlefilter zur Spurenstoffelimination. Damit wird sichergestellt, dass die Pilotierung nicht nur verfahrenstechnisch aussagekräftig ist, sondern auch eine belastbare Grundlage für die spätere Anlagenintegration bietet.

Umsetzung in Kooperation mit Planungsbüro

Das Vorhaben wird gemeinsam mit einem renommierten Planungsbüro umgesetzt und verbindet industrielle Verfahrensentwicklung mit einem systematischen, datenbasierten Vorgehen. Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit der Verfahrenskombination auf Basis belastbarer Messdaten zu bewerten und die Ergebnisse nachvollziehbar einzuordnen. Die systematische Erfassung von Betriebs- und Analysedaten ermöglicht eine fundierte Bewertung der Eliminationsleistung von Ozonierung und biologisch aktivierter Filtration sowie der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Verfahrensstufen. Auf diese Weise können Erkenntnisse gewonnen werden, die über Laboruntersuchungen hinausgehen und die Datengrundlage für die verfahrenstechnische Auslegung der finalen Ausbaustufe erweitern.

Die Ergebnisse der Pilotierung dienen der Verifizierung und Optimierung der geplanten vierten Reinigungsstufe. Insbesondere der Vergleich verschiedener Filtermedien ermöglicht Rückschlüsse auf deren Eignung hinsichtlich Eliminationsleistung, Betriebsverhalten und langfristiger Anwendbarkeit. Das Projekt zeigt damit exemplarisch, wie durch die enge Verzahnung von Industrie, Forschung und Umwelttechnik wissenschaftliche Erkenntnisse in konkrete technische Lösungen für zukünftige Anforderungen an die industrielle Abwasserbehandlung überführt werden können.

Zusammenfassung und Ausblick

Die verschärften Anforderungen an die Entfernung von Mikroschadstoffen werden die industrielle Abwasserbehandlung in den kommenden Jahren maßgeblich prägen. Für Unternehmen der Pharmaindustrie wird es daher zunehmend wichtiger, die Leistungsfähigkeit neuer Behandlungsverfahren unter realen Betriebsbedingungen nachzuweisen und so frühzeitig eine Grundlage für Investitionsentscheidungen zu schaffen. Pilotversuche im technischen Maßstab leisten hierzu einen entscheidenden Beitrag, da sie Erkenntnisse zu Reinigungsleistung, Betriebsverhalten und Anlagenintegration liefern. Die Verknüpfung von verfahrenstechnischer Expertise, analytischer Bewertung und Betriebserfahrung ermöglicht die Gewinnung aussagekräftiger Daten und unterstützt die Überführung vielversprechender Behandlungskonzepte vom Pilotmaßstab in den Dauerbetrieb.