Vierte Reinigungsstufe in der Abwasserreinigung Kohle – die Kombi macht’s: Quo vadis Spurenstoffelimination mittels Aktivkohlen

Autor / Redakteur: Maik Rudloff*, Adrian Frank Herbort**, Benedikt Ney*** und Prof. Katrin Schuhen et al.* / Dr. Ilka Ottleben

Aktivkohle gilt in der Abwasserreinigung als vielversprechendes Adsorptionsmaterial für eine vierte Reinigungsstufe. Teil 1 und 2 unserer Artikelserie haben Stand der Technik, aber auch Limitationen vorgestellt. Gibt es Alternativen? Eine neue ganzheitliche Lösung verwendet Silizium-basierte anorganisch-organische Hybridmaterialien.

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Abb. 1: Mit einer Kombination aus Aktivkohlen und adaptierbaren Hybridkieselgelen können unabhängig von Art und Konzentration der eingetragenen Stoffe ganzheitlich verbesserte Eliminationsraten erzielt werden.
Abb. 1: Mit einer Kombination aus Aktivkohlen und adaptierbaren Hybridkieselgelen können unabhängig von Art und Konzentration der eingetragenen Stoffe ganzheitlich verbesserte Eliminationsraten erzielt werden.
(Bild: ©sommai, © K.-U. Häßler - stock.adobe.com [M] GötzelHorn)

Rückstände von Medikamenten und Pflanzenschutzmitteln oder auch Mikrokunststoffe sind für Kläranlagen ein Problem: Die gängigen drei Reinigungsstufen werden ihrer nicht Herr. Geht es nach der Meinung von Experten, soll künftig eine vierte Reinigungsstufe diese anthropogenen Spurenstoffe aus dem Trinkwasser entfernen.

Doch welche Filtermaterialien und -verfahren sind dazu geeignet? Aktivkohle gilt als vielversprechendes Adsorptionsmaterial für eine vierte Reinigungsstufe.. Doch auch sie stößt an Grenzen . Gibt es Alternativen?

Ganzheitlicher Ansatz zur Spurenstoffelimination

Ein neuer, Wasser 3.0 genannter Ansatz für eine ganzheitliche Spurenstoffelimination verwendet Silizium-basierte anorganisch-organische Hybridmaterialien. Mit ihrer Hilfe kann individuell auf Stressoren und deren Elimination im Abwasserreinigungsprozess eingewirkt werden [32, 77, 78]. Der Hauptvorteil dieser synthetisierten Verbindungen im Vergleich zu Aktivkohlen liegt in deren Reproduzierbarkeit: Gleicher Aufbau, gleiche Strukturierung und vor allem eine adaptierbare Reaktivität gegenüber variablen Stressoren unabhängig von äußeren Parametern ermöglichen eine effiziente Einsatzsteuerung gegenüber variablen Abwasserströmen (s. Abb. 2).

Durch die hohe spezifische Oberfläche des Hybridkieselgels werden Schadstoffe zunächst adsorbiert und im nächsten Schritt kovalent fixiert. Ein Ausschwemmen (Leaching) wird verhindert. Dies gelingt durch Ausnutzung des reaktiven Verhaltens der Spurenstoffe, da die Hybridmaterialien ebenfalls unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen und somit chemische Reaktionen eingehen können (z.B. Kondensationsreaktionen zur Bildung von Carbonsäureamiden). Partikel werden unabhängig von der chemischen Zusammensetzung, Menge und Größe zunächst lokalisiert und dann durch Partikelwachstum vergrößert [32, 79, 80]. Aktivkohle wird im Agglomerationsverbund eingeschlossen und somit eine Desorption organisch-chemischer Verbindungen unterbunden.

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Einfach implementierbar und effizient

Im nächsten Verfahrensschritt kann der Gesamtanteil an Partikeln nachhaltig, effektiv, kostengünstig und vollständig mithilfe einfacher mechanischer Technik entfernt werden. Diese Technik kann in jede Kläranlage implementiert werden und bietet nicht nur Vorteile in niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten, sondern auch in ökologisch relevanten Aspekten (Energieeinsparungen, Nutzung des Reaktionsprodukts zur thermischen Energiegewinnung). Schnittstellen werden auf ein geringes Maß reduziert und komplexer baulicher Aufwand entfällt. Auf den Einsatz von chemischen Flockungshilfsmitteln kann verzichtet werden, da die eingesetzten Adsorbenten in Kombination mit der vorbereiteten Verfahrenstechnik in der Lage sind, eine stabile Flockung herbeizuführen und gleichzeitig potenziellen Schlupf des eingesetzten Materials in angeschlossene Vorfluter zu verhindern.

Der entscheidende und herausragende Vorteil ist jedoch, dass diese Allroundlösung neben der Elimination von anthropogenen Spurenstoffen in der Lage ist, Mikrokunststoffe punktuell aufzukonzentrieren und zusammen mit den organischen Spurenstoffen im gleichen Arbeitsschritt aus dem Abwasser zu entfernen. Das sorgt zusätzlich für eine Entlastung der sich auf Kläranlagen befindlichen Verfahrensstufen, Bauwerke, Rohrleitungen und Armaturen, da ein Rückfluss in den Reinigungskreislauf der Kläranlage ausgeschlossen ist.

Der größte Vorteil ist, dass die Anwendung nicht nur in der Kläranlage möglich ist, sondern auch in anderen süßwasserführenden Systemen und mit dem Aktivkohleeinsatz kombiniert werden kann.

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Kombination aus Aktivkohlen und Hybridkieselgelen

Durch diesen Ansatz der Kombination von Aktivkohle und der Wasser-3.0-Technologie können die positiven Eigenschaften der Aktivkohle (hohe spezifische Oberflächen, schnelle Adsorptionsgeschwindigkeiten durch Physisorption) ausgenutzt und somit eine Prozessoptimierung erzielt werden. Die Menge der eingesetzten Aktivkohle kann verringert werden, da die Aktivkohle optimal ohne Desorptionseigenschaften (Wasser 3.0 unterbindet dies) arbeitet. Außerdem agglomeriert die Aktivkohle mit dem Produkt aus der Umsetzung mit Wasser 3.0, weshalb der zusätzliche Filtrationsschritt für die Aktivkohle entfällt. Durch den Betrieb im optimalen Betriebspunkt ist eine nachhaltige kostenoptimierte Nutzung der Anlage garantiert. Zusätzlich sind ein deutlich minimierter Materialeinsatz sowie günstige Anschaffungs- und Unterhaltungskosten Grundlage einer ganzheitlichen Lösung, welche die Abwasserabgabegebühr durchaus senken kann. Das bei der Wasserreinigung entstehende Abfallprodukt kann entweder regeneriert, als Rohstoff thermisch zur Energieerzeugung genutzt oder als Sekundärrohstoff für die Glas- oder Keramikherstellung weiterverwertet werden.

Die Implementierung des Verfahrens erfolgt in einer platzsparenden, mobilen Contai­nerlösung, welche problemlos an jedem beliebigen Ort aufgestellt und betrieben werden kann. Hinsichtlich des Einsatzes als vierte Reinigungsstufe gewährleistet das Konzept eine starke Entlastung der Vorfluter. Folglich werden auch die komplexen Trinkwasseraufbereitungsprozesse vereinfacht, da sich die Rohwasserqualität (z.B. Quell-, Oberflächen- oder Grundwasser) grundlegend verbessert. Diese wird individuell und optimal auf den vorliegenden Anwendungsfall abgestimmt. Von der verlässlichen Aufbereitungstechnik profitieren auch Entwicklungsländer oder geografisch ungünstig gelegene Regionen, da die Containerlösung universell einsetzbar und anwendungsspezifisch ausgelegt ist. Sie kann z.B. auf Kläranlagen als Add-on-Lösung in Form der vierten Reinigungsstufe oder als Einzelbaustein zur Trink-, Brunnen- oder Oberflächenwasseraufbereitung eingesetzt werden.

Danksagung

Die Forschungsprojekte von
Wasser 3.0 werden durch die finanzielle Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie durch die Bereitstellung von ZIM-Fördermitteln (Zentrales Innovationsprogramm für KMU) durchgeführt. Die Unternehmen abcr aus Karlsruhe und Zahnen Technik aus Arzfeld sind direkte Projekt-involvierte Industriepartner. Analytische Unterstützung bekommt Wasser 3.0 von SAS Hagmann aus Horb am Neckar und von Limbach Analytics aus Mannheim. Zusätzlich dankt Maik Rudloff der Stiftung der Deutschen Wirtschaft (sdw) für den Erhalt eines Promotionsstipendiums. n

* M. Rudloff, A. F. Herbort, P. Bimmler, M. Strozynska, C. Hiller, Jun.-Prof. K. Schuhen: Universität Koblenz-Landau, Inst. f. Umweltwissenschaften, 76829 Landau i. d. Pfalz, E-Mail: schuhen@wasserdreinull.de **A. F. Herbort, P. Bimmler: abcr GmbH, 76187 Karlsruhe ***B. Ney, N. Poppelreiter: Zahnen Technik GmbH, 54687 Arzfeld

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