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Vierte Reinigungsstufe in der Abwasserreinigung

Kohle am Limit? Quo vadis Spurenstoffelimination mittels Aktivkohlen

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

Abb. 1: Aktivkohle gilt als vielversprechendes Adsorptionsmaterial, um anthropogene Stressoren in einer vierten Reinigungsstufe aus Abwasser zu entfernen. Doch ist auch sie limitiert?
Abb. 1: Aktivkohle gilt als vielversprechendes Adsorptionsmaterial, um anthropogene Stressoren in einer vierten Reinigungsstufe aus Abwasser zu entfernen. Doch ist auch sie limitiert? (Bild: ©sommai, © K.-U. Häßler - stock.adobe.com [M] GötzelHorn)

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Aktivkohle gilt in der Abwasserreinigung als vielversprechendes Adsorptionsmaterial für eine vierte Reinigungsstufe. Teil 1 unserer Artikelserie lieferte eine Übersicht über den Stand der Technik. Teil 2 befasst sich nun damit, was Aktivkohle im Abwasserreinigungsprozess nicht leisten kann.

Anthropogene Spurenstoffe wie Medikamenten- und Pflanzenschutzmittelrückstände oder aber Mikrokunststoffe stellen Kläranlagen vor große He­rausforderungen. Ein vierstufiges Reinigungsverfahren ist derzeit ein viel diskutiertes Thema und soll unser Trinkwasser sauberer machen. Doch welche Filtermaterialien und -verfahren sind wirklich geeignet, um möglichst alle potenziell schädlichen Stoffe, vollumfänglich aus dem Abwasser zu entfernen? Aktivkohle gilt als vielversprechendes Adsorptionsmaterial für eine vierte Reinigungsstufe. Doch stößt auch sie irgendwo an ihre Grenzen? Eindeutig ja, wie die folgenden Erläuterungen zeigen.

Entfernung von Mikroplastik aufwändig und suboptimal

Wasserunlösliche inerte organisch-chemische Verbindungen wie Mikrokunststoffe oder hochviskose Oligomere können nicht innerhalb der vierten Reinigungsstufe einer Kläranlage durch Aktivkohleeinsatz eliminiert werden. Diese synthetisch hergestellten, organisch-chemischen Makromoleküle zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine oder eine nur sehr langsame chemische Reaktion/Degradation eingehen. Es handelt sich um Polymere, denen oftmals eine Vielzahl an Additiven (z.B. Flammschutzmittel, UV-Adsorber, Weichmacher, etc.) zugesetzt werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern [45, 46]. Durch die grundlegend verschiedenen physikochemischen Eigenschaften gegenüber gelösten organisch-chemischen oder anorganisch-chemischen Stressoren ist bei der Elimination von Mikrokunststoffen gegenüber der Elimination von gelösten Spurenstoffen ein Einsatz von Aktivkohle ausgeschlossen.

Aktuell werden zur Entfernung von Mikroplastik nur sehr kostenintensive und für den Abwasserbereich ineffiziente Verfahren wie Mikro-, Nano- und Ultrafiltration oder Umkehrosmoseverfahren eingesetzt [47]. Diese können bisher eine geringfügige Partikelabscheidung gewährleisten (s. Tabelle 1), jedoch ist diese limitiert. Mikro- und Ultrafiltration können u.a. keine Nähr- und Spurenstoffe wie Sulfate, Chloride, Nitrate, Pestizide oder Huminstoffe zurückhalten. Nanofiltration und Umkehrosmose können diese entfernen, sind aber bei einer „Dead-End-Filtration“ zu schnell mit einer Deckschicht aus weiteren Schmutzpartikeln belegt und benötigen häufige Reinigungs- und Spülintervalle. Die Methode der „Cross-Flow Filtration“ stellt eine Alternative dar, birgt jedoch eine höhere Gefahr der Ausspülung von zurückgehaltenen Stoffen als die Dead-End-Methode. Weiterer Faktor ist die bauliche bzw. räumliche Kapazität sowie Investitions- und Wartungskosten. Nur durch Kombination von Membranfiltration und weiteren Verfahrensschritten werden ausreichende Lauf- und Eliminationsleistungen erhalten.

Mittels Filtrationsverfahren z.B. Tuchfiltersysteme in der Kläranlage Oldenburg ist es möglich, 97% der Gesamtbelastung zu reduzieren (von 1131 auf 29 Mikroplastikpartikel und Fasern 1/m3) und einen Rückhalt von Kunststoff-Partikeln bis zu einer gewissen Größe (abhängig vom Porendurchmesser) zu gewährleisten [48]. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Filter schnell verstopfen können, weshalb ein Rückspülen notwendig ist und somit der Reinigungsprozess unterbrochen werden muss. Durch mechanische Beanspruchung der Tuchfilter werden zudem zusätzliche Mikroplastikpartikel/-fasern generiert, die eine so genannte Sekundärquelle darstellen.

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Limitationen auch bei poly- & perfluorierten Verbindungen

Betrachtet man die Adsorptionsraten reaktiver organisch-chemischer Verbindungen wie Organofluor- und Organophosphorverbindungen, so zeigt Aktivkohle ebenfalls Limitationen in der Aufnahmekapazität. Die auch als poly- und perfluorierte Verbindungen bezeichnete Stoffklasse umfasst aktuell ca. 3000 synthetische Organofluorverbindungen, deren Kohlenstoffketten teilweise oder komplett fluoriert sind [22, 49]. Sie sind als persistente, bioakkumulative und toxische Stoffe (PBT) deklariert, gelten als reproduktionstoxisch und fördern die Bildung von u.a. Leber- und Bauchspeicheldrüsentumoren [22]. PFC können durch ihren anthropogenen Ursprung aufgrund fehlender biologischer Mechanismen in der Natur nicht abgebaut, sondern nur in andere PFC transformiert werden [22, 50, 51]. Obwohl bereits 2006 in einem Artikel von A. Schäfer auf die Ineffizienzen und mangelnden Reduktionsleistungen von Aktivkohlefiltern gegenüber PFC in der Wasseraufbereitung hingewiesen wurde, wird nach wie vor bei der Behandlung von PFC-kontaminierten Sicker- und Brunnenwasser Aktivkohle eingesetzt [21, 22, 52-54].

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LP-Info: Was ist eigentlich Aktivkohle?

Bei dem Einsatz von Granulierter Aktivkohle (GAK) in Trinkwasseraufbereitungsanlagen wurde aufgrund von Desorptionsreaktionen eine hohe Varianz in den Reduktionsraten erhalten. Diese reichen von -220 bis 5% für Perfluoroctansäure (PFOA) und -185 bis 98% für Perfluorsulfonsäure (PFOS), den am häufigsten hergestellten PFC-Vertretern [55-58]. Verschiedene Arbeitsgruppen wiesen nach, dass die strukturellen Eigenschaften von PFC z.B die Kettenlänge oder der Verzweigungsgrad der Verbindungen die Adsorptionsfähigkeiten von Aktivkohle gegenüber PFC senken. Kurzkettige PFC wie Perfluorbutansulfonsäure (PFBS) oder Perfluorbutansäure (PFBA) sind beispielsweise wesentlich mobiler als langkettige Vertreter und adsorbieren fast gar nicht an Aktivkohle [12, 55, 59]. Weiterhin ist bekannt, dass verzweigte Verbindungen schlechter als ihre linearen Isomere aus dem kontaminierten Wasser entfernt werden [55]. Anorganische Substanzen sowie organische Verbindungen mit einem Molekulargewicht < 1000 g/mol senken zusätzlich die Adsorptionskapazität von Aktivkohlen gegenüber PFC [41, 58, 60].

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