Hocheffiziente, nachhaltige und wirtschaftliche PFAS-Elimination aus Deponiesickerwasser durch Membranbiologie und Aktivkohleadsorption mit EU-POP-konformer thermischer Reaktivierung

Betriebserfahrungen der Zentraldeponie Eiterköpfe

• Dipl.-Ing. Bernd Winter
• Dipl.-Ing. Frank Diederichs
• Dr. Markus Harder

Die seit 1998 im Dauerbetrieb befindliche Sickerwasserreinigungsanlage der Zentraldeponie Eiterköpfe zeigt die hohe verfahrenstechnische Leistungsfähigkeit eines biologischphysikalischen Behandlungskonzepts zur zuverlässigen Elimination organischer Schadstoffe, Stickstoffverbindungen sowie per- und polyfluorierter Alkylsubstanzen (PFAS) aus komplexen, hochbelasteten Deponiesickerwässern. Die praxisbewährte Anlagentechnik kombiniert eine biologische Stufe in Membranbioreaktoren (MBR) mit integrierter Ultrafiltration (UF) und eine nachgeschaltete Festbettadsorption mit granulierter Aktivkohle (GAK) als abschließende Reinigungsstufe vor der Indirekteinleitung in eine kommunale Kläranlage. Unter realen großtechnischen Betriebsbedingungen werden im Mittel Abbaugrade von 94 % für den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), 91 % für adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) sowie 99,98 % für Ammoniumstickstoff (NH₄-N) erreicht. Die biologisch nicht abbaubaren, hochpersistenten kurz- und langkettigen Kohlenstoff- Fluor-Verbindungen – häufig als Ewigkeitschemikalien bezeichnet – werden durch die seit 2009 anlagentechnisch implementierte GAK-Adsorption gezielt zurückgehalten. In Abhängigkeit von der Kohlenstoffkettenlänge sowie der funktionellen Gruppe wurden im kontinuierlichen Betrieb substanzspezifische Eliminationsraten von 85 % bis 99 % für die im Zulauf analytisch nachgewiesenen fluorierte organische Einzelverbindungen beobachtet. Damit bestätigt die Anlage, dass auch unter praxisnahen Bedingungen mit hochkomplexer Wassermatrix eine dauerhaft wirksame PFAS-Rückhaltung technisch realisierbar ist. Die Aktivkohle wird bis zum verfahrenstechnischen Durchbruch genutzt. Nach Erreichen der Sättigung wird das schadstoffbeladene Adsorbens zunächst als Abfall eingestuft und fällt in den Anwendungsbereich der Verordnung (EU) 2019/1021 über persistente organische Schadstoffe (EU-POP-VO). Eine externe thermische Reaktivierung in Wirbelschichtöfen bei Prozesstemperaturen von etwa 1.050 °C ermöglicht jedoch die Wiederherstellung der Adsorptionskapazität und ist unter Einhaltung der einschlägigen Grenzwerte gemäß EU-POP-Verordnung (Annex IV) zulässig, sofern die vollständige Zerstörung der in den Abgasstrom überführten PFAS sichergestellt ist. Das zweistufige Reaktivierungsverfahren gewährleistet eine EU-POP-konforme chemische Destruktion der adsorbierten hochpersistenten organischen Schadstoffe. Die PFAS-Strukturen werden dabei irreversibel in nicht toxische, stabile Endprodukte wie Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), Fluorwasserstoff (HF) und mineralisches Fluorid (F^-) umgewandelt. Gleichzeitig wird ein ressourcenschonender Stoffkreislauf im Sinne der Circular Economy ermöglicht. Die Auswertung der Betriebsdaten der Jahre 2024 bis 2026 belegt, dass das kombinierte MBR-GAK-Verfahren hohe Prozessstabilität, Wirtschaftlichkeit, Ressourceneffizienz und regulatorische Sicherheit vereint. Die hochwirksame Deponiesickerwasserreinigungsanlage erfüllt die Anforderungen der „besten verfügbaren Techniken“ (BVT) gemäß der Industrieemissionsrichtlinie (IED 2010/75/EU) und positioniert die Zentraldeponie Eiterköpfe als technische Schadstoffsenke – und nicht als Emissionsquelle – gegenüber extrem persistenten, öko- und humantoxischen Substanzen wie PFAS. Die vorgestellte Verfahrenskette aus Membranbiologie, Festbett-Aktivkohleadsorption und thermischer Reaktivierung mit nachgeschalteter Abgasbehandlung stellt eine praxiserprobte und zukunftsfähige Lösung für zentrale Herausforderungen der Deponie-, Abfall- und Abwasserwirtschaft dar. Das Gesamtkonzept leistet einen wesentlichen Beitrag zur Umsetzung zunehmend verschärfter regulatorischer Anforderungen – unter anderem aus dem EU-PFAS-Beschränkungsvorschlag, der Wasserrahmenrichtlinie und der Trinkwasserrichtlinie – und trägt zugleich nachhaltig zum Schutz von Gewässern, Umwelt, Klima und menschlicher Gesundheit bei.

The landfill leachate treatment plant of the Eiterköpfe Central Landfill, which has been in continuous operation since 1998, demonstrates the high process-engineering performance of an integrated biological-physical treatment concept for the reliable removal of organic pollutants, nitrogen compounds, and per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from complex, highly contaminated landfill leachates. The well-established treatment system combines a biological stage based on membrane bioreactor (MBR) technology with integrated ultrafiltration (UF) and a downstream fixed-bed adsorption unit using granular activated carbon (GAC) as the final treatment step prior to indirect discharge into a municipal wastewater treatment plant. Under real full-scale operating conditions, average removal efficiencies of 94 % for chemical oxygen demand (COD), 91 % for adsorbable organically bound halogens (AOX), and 99,98 % for ammonium nitrogen (NH₄-N) are achieved. Biologically non-degradable, highly persistent short- and long-chain carbon–fluorine compounds – often referred to as „forever chemicals“ – are effectively retained by the GAC adsorption stage that has been technically implemented since 2009. Depending on carbon chain length and functional group substance-specific removal efficiencies ranging from 85 % to 99 % were observed for the fluorinated organic compounds analytically detected in the influent during continuous operation. These results confirm that robust and long-term effective PFAS retention is technically feasible even under practical operating conditions involving highly complex aqueous matrices. The activated carbon is operated until process-related breakthrough occurs. After saturation, the contaminant-loaded adsorbent is initially classified as waste and falls within the scope of Regulation (EU) No. 2019/1021 on persistent organic pollutants (EU POP Regulation). However, external thermal reactivation in fluidized-bed furnaces at process temperatures of approximately 1.050 °C allows for the restoration of adsorption capacity and is permissible under compliance with the relevant limit values specified in Annex IV of the EU POP Regulation, provided that complete destruction of PFAS transferred to the off-gas stream is ensured. The two-stage reactivation process guarantees EU POP–compliant chemical destruction of the adsorbed highly persistent organic pollutants. PFAS structures are irreversibly converted into non-toxic, stable end products such as carbon dioxide (CO₂), water (H₂O), hydrogen fluoride (HF), and inorganic fluoride (F^-). At the same time, the process enables a resource-efficient material cycle in line with the principles of the circular economy. Evaluation of operating data from 2024 to 2026 demonstrates that the combined MBR–GAC process integrates high process stability, economic efficiency, resource efficiency, and regulatory compliance. The highly effective landfill leachate treatment plant meets the requirements of the Best Available Techniques (BAT) according to the Industrial Emissions Directive (IED 2010/75/EU) and positions the Eiterköpfe Central Landfill as a technical sink for pollutants – rather than an emission source – with respect to extremely persistent, eco- and human-toxic substances such as PFAS. The presented treatment chain, consisting of membrane bioreactor technology, fixed-bed activated carbon adsorption, and thermal reactivation with downstream off-gas treatment, represents a proven and future-oriented solution to key challenges in landfill, waste, and wastewater management. The overall concept makes a substantial contribution to meeting increasingly stringent regulatory requirements – arising, among others, from the EU PFAS restriction proposal, the Water Framework Directive, and the Drinking Water Directive – and simultaneously contributes to the long-term protection of water resources, the environment, the climate, and human health.