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Nachhaltige Abwasserreinigung Elektroschocks für Aktivkohle – ein Ansatz für bessere Klärwerke

Autor / Redakteur: Iris Kumpmann* / Christian Lüttmann

Trinkwasser ist in Deutschland von hoher Qualität. Um auch Spurenstoffe effektiv aus Abwasser zu entfernen, kommt in Kläranlagen Aktivkohle zum Einsatz. Allerdings wird diese nach Gebrauch oft verbrannt. Ein Team von Fraunhofer Forschern hat nun einen neuen Ansatz entwickelt, der die Kohle regeneriert – indem man sie unter Strom setzt.

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Fraunhofer-Forscher haben Aktivkohle mit höherer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt (Symbolbild).
Fraunhofer-Forscher haben Aktivkohle mit höherer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, (Collage: Bluemount_Score, KenStock) / Pixabay )

Oberhausen – Öffnet man in Deutschland den Wasserhahn, hat das herausströmende Wasser in der Regel beste Trinkwasserqualität. Dies liegt nicht zuletzt an den vielen Kläranlagen, die das Abwasser mit mechanischen, biologischen und chemischen Verfahren säubern und verunreinigende Bestandteile entfernen. Jedoch lassen sich damit nicht alle Verunreinigungen einfach so entfernen. Besonders schwierig ist dies z.B. bei Spurenstoffen wie Arzneimittelrückstände, Haushaltschemikalien oder Röntgenkontrastmittel. Gerade diese können Mensch und Tier aber bereits in sehr geringen Mengen gefährlich werden.

Um diesem Problem zu begegnen, werden Kläranlagen zunehmend mit einer weiteren Reinigungsstufe nachgerüstet, die Spurenstoffe entfernen soll. Neben chemisch-oxidativen Maßnahmen, bei denen problematische Beiprodukte entstehen können, setzt man hierbei vor allem auf Aktivkohlen. Diese haben wegen ihrer porösen Grundstruktur eine enorm große innere Oberfläche – schon bei vier Gramm Aktivkohle entspricht sie in etwa der Fläche eines Fußballfeldes. So können Aktivkohlen andere Stoffe in Abhängigkeit von deren Ladung adsorbieren, sie also ähnlich wie ein Schwamm in sich aufsaugen.

Aktivkohle hat bisher ein Nachhaltigkeitsproblem

Doch obwohl Spurenstoffe mit der zusätzlichen Reinigungsstufe in der Regel wirksam aus dem Ablauf entfernt werden können, hat das Verfahren in der Praxis häufig einen Haken, erklärt Ilka Gehrke, Abteilungsleiterin Umwelt und Ressourcennutzung am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik „Umsicht“ in Oberhausen: „Bisher wird meist pulvrige Aktivkohle eingesetzt. Sobald diese voll beladen ist und keine Stoffe mehr adsorbieren kann, wird sie schlichtweg verbrannt. Unter Nachhaltigkeitsaspekten ist das sehr problematisch, zumal Aktivkohle häufig aus nicht-nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, nämlich aus ganz normaler Steinkohle.“

Forschende des Fraunhofer-Instituts Umsicht wollen daher den Einsatz von Aktivkohlen in Kläranlagen optimieren und haben gemeinsam mit Partnern aus der Industrie einen ganzheitlichen Ansatz entwickelt. Begleitet wurde der Prozess durch Forschung im Innovations- und Ressourcenmanagement, die es ermöglichte, sozio-ökonomische sowie ökologische Innovationstreiber und -bremser von Anfang an mitzuberücksichtigen.

Unter Strom gesetzt

Als Ausgangsstoff für ihr Verfahren setzen Gehrke und ihr Team auf Aktivkohlen aus nachwachsenden Materialien wie Holz oder Kokosnuss in granulierter Form. Derartige Pellets können im Gegensatz zu Aktivkohlepulver bei sehr hohen Temperaturen reaktiviert, dadurch von den adsorbierten Stoffen befreit und wiederverwendet werden. Derzeit müssen die Aktivkohlen hierfür jedoch meist erst weit transportiert werden; und weil sich die Kohlen beim Durchmischen im Wirbelbett gegenseitig abreiben, gibt es hohe Materialverluste.

Ziel der Forschenden war es daher ein neues Regenerationsverfahren zu entwickeln, das direkt vor Ort am jeweiligen Kläranlagengelände durchgeführt werden kann. „Hierfür nutzen wir die physikalische Wirkung von elektrischen Feldern aus“, sagt Gehrke. „Diesen Gedanken hatten vor uns bereits andere für den Bereich der Gasreinigung und viele dieser Grundlagen konnten wir für unser Vorhaben auf den Flüssigbereich übertragen.

In der Vergangenheit war ein derartiges Verfahren aufgrund des hohen Strombedarfs noch zu teuer. Mittlerweile könne man aber zunehmend auf den fluktuierenden Stromanfall von regenerativen Energien setzen, der eine Regeneration von Aktivkohle per elektrischem Feld rentabel und umweltfreundlich mache, wie die Fraunhofer Forscherin erklärt.

Leitfähige Kohlepellets

Die Idee hinter dem neuen Verfahren basiert auf der so genannten Electric Field Swing Adsorption (EFSA). Die Kohlen werden dazu elektrisch so erhitzt, dass die Schadstoffe auf den Kohlen desorbieren oder schlichtweg verbrennen. Damit dies funktioniert, müssen sowohl die Aktivkohlen als auch der Reaktor bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So müssen die verwendeten Aktivkohlen eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, damit genug Strom durch sie hindurchfließen kann. Trotzdem muss der Materialwiderstand groß genug sein, dass sie sich dabei ausreichend erhitzen.

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Gehrke und ihr Team entwickelten hierfür eigene Komposit-Aktivkohlen. Dem Grundmaterial Holzkohlenmehl mischten sie Graphit bei und erzielten dadurch eine elektrische Leitfähigkeit, die bei gleichbleibender Adsorptionsfähigkeit dreimal so hoch ist wie bei herkömmlichen Aktivkohlen.

Bei der Reaktorkonstruktion bestand die Schwierigkeit darin, diesen so zu bauen, dass er auch hohen Temperaturen von bis zu 650 °C standhält. In Bezug auf die Funktionsweise setzen Gehrke und ihre Kollegen auf eine kontinuierliche Regeneration: „Die Idee ist, dem Becken laufend über ein Förderband kleine Aktivkohlemengen zu entnehmen, diese zu regenerieren und wieder zurückzuführen. Dazu reicht dann ein verhältnismäßig kleiner Reaktor aus, weil sich nie alle Aktivkohlen gleichzeitig darin befinden und der Regenerationsprozess nur ein paar Minuten dauert. Da sich die Aktivkohlen im Reaktor selbst nicht bewegen, ist der Verschleiß gering und wir rechnen damit, dass wir pro Durchgang mit maximal zehn Prozent neuen Aktivkohlen auffrischen müssen.“ Im Unterschied zur herkömmlichen Verbrennung von beladener Aktivkohle würde man also bis zu 90% der Kohle durch das Recyclingverfahren sparen.

Kleine Pilotanlage mit erfolgreichen Tests

Die selbst hergestellten Komposit-Aktivkohlen wurden bei Tests auf der Partnerkläranlage Wuppertal-Buchenhofen bereits erfolgreich mit Spurenstoffen beladen. Das Regenerationsverfahren führten die Forschenden an einem Protypenreaktor mit einem Fassungsvermögen von 40 bis 50 Litern außerhalb des Kläranlagengeländes durch. Nach einer fast dreijährigen Projektphase zieht Gehrke ein positives Fazit: „Unsere Tests haben gezeigt, dass unser Verfahren ressourcenschonend und dabei gleichzeitig wirtschaftlich und konkurrenzfähig ist.“ Aktuell diskutieren die Beteiligten über mögliche Nachfolgeprojekte mit Umsetzungen im größeren Maßstab direkt vor Ort.

* I. Kumpmann, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht), 46047 Oberhausen

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