Vierte Reinigungsstufe in der Abwasserreinigung Kohle in Aktion: Quo vadis Spurenstoffelimination mittels Aktivkohlen

Anthropogene Spurenstoffe und Mikrokunststoffe stellen Kläranlagen vor große Herausforderungen. Als vielversprechendes Adsorptionsmaterial für eine vierte Reinigungsstufe werden derzeit häufig Aktivkohlen untersucht und eingesetzt. Teil 1 unserer Artikelserie liefert eine Übersicht über den Stand der Technik.

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Jeder Bundesbürger verbraucht hierzulande derzeit etwa 123 Liter Trinkwasser am Tag. Das ist aus der Sicht des internationalen Vergleichs westlicher Länder zwar eher wenig, absolut gesehen kommt man jedoch auf schwindelerregende 10 Millionen Kubikmeter verbrauchtes Wasser – pro Tag. Der Umstand, dass beispielsweise Italiener oder Norweger noch mehr verbrauchen, kann nicht über die Tatsache hinweg täuschen, dass dies wirklich viel ist. Und: Wo Frischwasser verbraucht wird, fällt auch Abwasser an. Laut zuständigem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) ist Deutschland im europäischen Vergleich Spitzenreiter wenn es um die Aufbereitung und das Recycling von Abwasser geht: Circa 96% werden laut BMU in nahegelegene Kläranlagen geleitet und dort gereinigt.

Deutschlands Abwassermenge betrug im Jahr 2013 rund 9,8 Milliarden Kubikmeter. Es besteht im Wesentlichen aus Schmutz-, Fremd- und Niederschlagswasser [1]. Der reine Schmutzwasseranteil aus privaten Haushalten, Gewerbe und Industrie entspricht bereits ca. 50% der gesamten Abwassermenge, welche den nahegelegenen Abwasserbehandlungsanlagen zugeführt wird. Die übrigen etwa 50% setzen sich aus nahezu gleichen Teilen von Niederschlags- und Fremdwasser zusammen [1]. Ist der Abwasserreinigungsprozess abgeschlossen, wird das gereinigte Abwasser in den natürlichen Wasserkreislauf, z.B. in das nahegelegene Fließgewässer, den Vorfluter, eingeleitet.

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Seit einigen Jahren ist jedoch bekannt, dass es Abwasserinhaltsstoffe gibt, welche während der Abwasserreinigung in der Kläranlage lediglich geringfügig bis gar nicht entfernt werden können [2-4]. Die Rede ist von anthropogenen Spurenstoffen und Mikrokunststoffen. Anthropogene Spurenstoffe sind synthetisch hergestellte, nicht natürliche Mikroverunreinigungen, welche in geringsten Konzentrationen von milliardstel (Nano) bis millionstel (Mikro) Gramm pro Liter gefunden werden. Zu ihnen gehören Substanzen wie Pharmazeutika, Pestizide, aber auch Mikroplastik. Um eine qualifizierte Aussage über das Verhalten dieser Verunreinigungen in der Umwelt und deren Umweltrelevanz treffen zu können, betrachtet man neben den chemischen und physikalischen auch die kombinierten umweltspezifischen Eigenschaften und ermittelt die (öko-)toxikologischen Einflüsse in Abhängigkeit der Umweltfaktoren (Persistenz, Abbaubarkeit, etc.) [5, 6].

Der Verdünnungsfaktor senkt im Allgemeinen den (öko-)toxikologischen Einfluss, die Stoffe gelten dann als vermindert (öko-)toxikologisch relevant. In den letzten Jahren werden jedoch vermehrt Stoffe im Wasserkreislauf detektiert, von denen bekannt ist, dass sie das Ökosystem nachhaltig stören können [5]. Ein großes Problem stellt jedoch nach wie vor die Detektion der meisten synthetisch hergestellten Chemikalien dar, da diese nicht nur in Wasser gelöst, sondern auch in fester oder suspendierter Form vorliegen können. Bisher gibt es keine universelle Methode, die eine kontinuierliche Analyse von allen Verbindungen in wässrigen und festen Proben ermöglichen könnte [7].

Was muss eine vierte Reinigungsstufe leisten?

Die Anforderungen an eine vierte Reinigungsstufe für die zentrale Abwassersanierung sind komplex. Einerseits muss die Reinigungsstufe ein breites Spektrum an problematischen Substanzen weitgehend entfernen können, andererseits gilt es auch, unerwünschte Nebenprodukte, die beispielsweise durch chemische oder biologische Umwandlungen entstehen, zu vermeiden oder für den Kläranlagenbetreiber kontrollierbar zu gestalten. Zusätzlich muss die vierte Reinigungsstufe für geschultes Personal einfach zu bedienen sowie in eine bestehende Anlage integrierbar sein. Ein angemessener, vertretbarer, Kosten/Nutzen-Faktor ist zugrunde zu legen [8].

Zum aktuellen Zeitpunkt stehen verschiedene Verfahren als vierte Reinigungsstufe zur Entfernung von Schadstoffen zur Verfügung. Diese können aufgrund ihrer jeweiligen Wirkmechanismen in vier Gruppen unterteilt werden (s. Abb. 2) [9-11]. Alle Verfahren sind miteinander kombinierbar, jedoch gilt es zu berücksichtigen, dass jedes einzeln betrachtet limitierende Faktoren besitzt, die auch durch die Kombination zweier Verfahrensansätze nicht gänzlich eliminiert werden können. Häufig handelt es sich bei den verfahrenstechnischen Grenzen um z.B. die Ungewissheit über Nebenprodukte bei oxidativen Verfahren, Schlupf und Desorption von Pulveraktivkohle, hohe Verbräuche chemischer Hilfsmittel, Wirtschaftlichkeitsfaktoren oder personelle bzw. räumliche Kapazität. Auch Investitionskosten wie der bauliche Aufwand sind für Kläranlagen mit weniger günstigen Rahmenbedingungen limitierende Faktoren.

Welche Rolle kommt den Adsorptionsmethoden zu?

Mit Adsorptionsmethoden wurden und werden vielversprechende Möglichkeiten entwickelt, mit denen anorganische und organische Schadstoffe aus dem Wasser bis zu Konzentrationen unter 1 mg/L entfernt werden können [12, 13]. Aktivkohle ist in diesem Bereich eines der meistuntersuchtesten Sorptionsmaterialien (s. LP-Info Kasten, S. 66) [12]. Aktivkohlen werden überwiegend in einem zweistufigen Verfahren aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt: Im ersten Schritt werden die Abfälle bei ca. 800 bis 1000 °C unter Sauerstoff­ausschluss calciniert [13-15]. Im Anschluss werden die Oberflächen zur Entwicklung des Porenvolumens oder der Adsorptionsstruktur physikalisch (erhitzen der Oberfläche in Anwesenheit von oxidierenden Gasen), chemisch (bearbeiten der Oberfläche z.B. mit Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Zink(II)-chlorid) oder physikochemisch (erhitzen der Oberfläche bei 800 °C mit oxidierenden Gasen in Anwesenheit von Alkalihydroxiden oder Metallverbindungen) aktiviert [13, 15, 16].

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