Kohle – die Kombi macht’s: Quo vadis Spurenstoffelimination mittels Aktivkohlen

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

08.08.2018 | 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.
(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?

Abb. 1: Diclofenac, Metopropol und Sulfanmethoxazol sind Beispiele für anthropogene Spurenstoffe, die Kläranlagen vor große Probleme stellen. Kann eine vierte Reinigungsstufe basierend auf Aktivkohlefiltern Abhilfe schaffen?

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Abb. 1: Aktivkohle gilt als vielversprechendes Adsorptionsmaterial, um anthropogene Stressoren in einer vierten Reinigungsstufe aus Abwasser zu entfernen. Doch ist auch sie limitiert?

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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Abb. 2: Vergleich der Anwendungsmöglichkeiten von Aktivkohle und Wasser 3.0 (eigene Darstellung, Pfeile: grün: Effiziente Entfernung möglich, gelb: Stoffklasse kann teilweise entfernt werden, rot: kann nicht entfernt werden, blau: Gegenstand aktueller Forschungen, Doppelpfeil: Adsorption via Physisorption, einfacher Pfeil: Adsorption via Chemisorption) [30-32, 42, 55, 77, 78].

1 Mit einer Kombination aus Aktivkohlen und adaptierbaren Hybridkieselgelen können unabhängig von Art und Konzentration der eingetragenen Stoffe ganzheitlich verbesserte Eliminationsraten erzielt werden.

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.