Wasser Infrastruktur Ressourcen (Institut)

CREMA

Chemisch regenerierbare, superparamagnetische Aktivkohle zur Beseitigung von Spurenstoffen aus Abwässern

Projektlaufzeit: 10/2018 - 06/2022

Projektbearbeitung durch: rewa

Bearbeiter:

Förderung:

BMBF

Projektleitung und Koordination:

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA)

Projektpartner:

  • Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA)
  • Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC mit Projektgruppe IWKS
  • ratiochem GmbH
  • STEINERT GmbH

Projektidee

Die Zahl der chemischen Verbindungen, die in Europa zugelassen sind, beläuft sich auf ca. 100.000. Etwa ein Drittel dieser Chemikalien werden in Mengen von mehr als 1 t/a in Umlauf gebracht. Sind diese in alltäglichen Produkten und Produktionsmitteln enthalten, können durch ihren Gebrauch und Verbrauch Rückstände in den Wasserkreislauf eingetragen werden. Mit den in den letzten Jahren deutlich verbesserten Analyseverfahren können erheblich mehr Substanzen bis in den Mikro- und Nanogrammbereich (Spurenstoffe) in der aquatischen Umwelt nachgewiesen werden, als dies vor einem Jahrzehnt möglich war. Auch wenn die im Wasser nachgewiesenen Konzentrationen meist als unbedenklich für den Menschen erachtet werden, können nach derzeitigen Kenntnissen nachteilige Effekte für die Umwelt durch diese Substanzen im Wasserkreislauf nicht abschließend ausgeschlossen werden. Dem Vorsorgeprinzip folgend sollten Lösungen zur Verminderung der Einträge dieser Stoffe entwickelt werden. Der Umgang mit diesen Spurenstoffen ist daher aktuell eines der dominierenden wasserwirtschaftlichen Themen in der Fachwelt und in der Öffentlichkeit. Für die Reduzierung der Einträge von Spurenstoffen aus Haushalt und Gewerbe in die aquatische Umwelt wird neben der Vermeidung an der Quelle sowie einer eventuellen Vor- bzw. Getrenntbehandlung eine weitergehende Abwasserreinigungseinheit (sog. vierte Reinigungsstufe) auf kommunalen Kläranlagen als wichtige und kurz- bis mittelfristig umsetzbare Maßnahme diskutiert.
Neben der chemischen Oxidation des biologisch gereinigten Abwassers durch den Einsatz von Ozon als nachgeschaltete Reinigungsstufe in der kommunalen Abwasserreinigung wird vor allem der Einsatz von adsorptiven Materialien zur Entfernung der Spurenstoffe (Mikroschadstoffe) bereits in technischen Verfahren realisiert.
Zweifellos ist Aktivkohle aufgrund ihrer großen, spezifischen Oberfläche von 500 bis 1.500 m²/g als Adsorbens für nicht-polare, organische Stoffe eines der am besten geeigneten Adsorptionsmaterialien für diesen Zweck. Forschungsbedarf besteht jedoch darin, wie das Adsorptionsmaterial nach dessen Einsatz bzw. Beladung zuverlässig abgetrennt und regeneriert werden kann.
Bisher wird die Aktivkohle lediglich per Sedimentation (inkl. Schlammbehandlung) oder Filtration zurückgehalten und anschließend verbrannt. Dieser Ansatz ist nicht optimal effizient. Für die Anlagen der Größenklasse (GK) 4 (20.000 - 100.000 E) und GK 5 (> 100.000 E) liegen die Jahreskosten, bezogen auf den Kubikmeter behandeltes Abwasser, für PAK-Anlagen in Deutschland zwischen 5 und 11 Eurocent.
Gesamtziel des Vorhabens ist es, einen Lösungsansatz zu schaffen, um der in der Ausschreibung angesprochenen, besorgniserregenden Gewässerbelastung mit organischen, endokrinen und persistenten Stoffen (z. B. Medikamente und deren Metaboliten) entgegen zu wirken. Hierzu soll ein neuartiges Adsorbermaterial entwickelt, in seiner Funktion getestet und durch einen verfahrenstechnischen Gesamtprozess für die kommunale Abwasserreinigung nutzbar gemacht werden. Bei dem neuartigen Material handelt es sich um eine funktionalisierte und regenerierbare Pulveraktivkohle zur effizienten und nachhaltigen Elimination von organischen Mikroschadstoffen (Spurenstoffen) für kommunale Kläranlagen. Der Einsatz dieser neuen Generation von Aktivkohle soll in einem verfahrenstechnischen Prozess umgesetzt werden, der in kommunalen Kläranlagen als sogenannte vierte Reinigungsstufe zur Behandlung des Ablaufs des Nachklärbeckens integriert werden kann. Die Emission der an Aktivkohle adsorbierbaren, organischen Mikroschadstoffe in Gewässer soll mit dem vorgeschlagenen Verfahren nachhaltig und vor allem kosteneffizienter als mit den gängigen Verfahrensweisen bzw. Materialien vermindert werden.

Lösungsansatz

In diesem Projekt soll eine funktionalisierte Pulveraktivkohle mit katalytischen Eigenschaften entwickelt werden, welche sich sehr fein in Abwasser verteilen lässt (rasche, effiziente Adsorption), magnetisch eingesammelt werden kann und nasschemisch regenerierbar und damit wiedereinsetzbar ist.
Die modifizierte Aktivkohle hat dabei folgende Eigenschaften:

  • Sie ist magnetisch schaltbar, d. h. nur unter Einfluss eines äußeren Magnetfeldes verhält sie sich magnetisch (Superparamagnetismus). Durch diesen Effekt wird eine, eine Abtrennbarkeit der Aktivkohleteilchen aus der wässrigen Phase durch einen Magnetseparator ermöglicht. Klassische Filteranlagen werden dadurch überflüssig. Ein Wiedereinsatz der Aktivkohlepartikel ist problemlos möglich, da der Magnetismus der A-Kohle instantan verschwindet, sobald sie den Magnetseparator verlässt.
  • Die zweite Eigenschaft ist katalytischer Natur, d. h. die A-Kohle begünstigt sehr effizient die Oxidation organischer Stoffe bei Anwesenheit entsprechender Oxidantien.

Nachdem die dem Abwasserstrom zugegebene Aktivkohle die Mikroschadstoffe adsorbiert hat, wird die A-Kohle magnetisch abgetrennt. In einem separaten Reaktor erfolgen mittels eines Oxidations-/Desorptionsprozesses simultan sowohl die Regenerierung der superparamagnetischen Pulveraktivkohle als auch die Zerstörung der Mikroschadstoffe (vgl. Abbildung 1). Durch hohe Adsorptionsraten und damit verbundenem, mengenmäßig geringerem Einsatz der A-Kohle, sowie durch Vermeidung des Verbrennens der Aktivkohle zur Entfernung der Spurenstoffe, soll ein neuer kostengünstiger Prozess für eine vierte Reinigungsstufe in einer kommunalen Kläranlage entwickelt werden.