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Wasseraufbereitung

Problemklärung – Mikroplastik im Abwasser

| Autor/ Redakteur: Michael Sturm und Dr. Katrin Schuhen* / Dr. Ilka Ottleben

Wenn es darum geht, Mikroplastikbelastungen im (Ab-)Wasser zu vermeiden, greifen Forschung und Unternehmen gerne auf die bereits existierenden Verfahren zurück, um deren Effizienz im Anwendungsfall zu ermitteln. Macht das Sinn? Neue, viel-versprechende Technologien stehen bereits in den Startlöchern.

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Abb.1: Ausschnitt aus dem Plastik-Mikroplastik-Pfad (Vom Eintrag als Plastikteil bis zur Akkumulation in Boden, Luft und Wasser) [17], [18]
Abb.1: Ausschnitt aus dem Plastik-Mikroplastik-Pfad (Vom Eintrag als Plastikteil bis zur Akkumulation in Boden, Luft und Wasser) [17], [18]
(Bild: Wasser 3.0)

Mikroplastik ist in unserer aquatischen Umwelt nahezu allgegenwärtig. Wie können wir es wieder loswerden? Wo stehen wir, was Verfahren und Methoden zur Entfernung von Mikroplastik aus dem (Ab-) Wasser anbelangt? Der Wassersektor verhält sich gerade im Bereich der vierten Reinigungsstufe sehr zurückhaltend und konservativ gegenüber neuen Verfahren oder Verfahrenskombinationen. Alternative Lösungen kommen nur beschwerlich daher und werden als Neuerungen skeptisch beäugt.

Kläranlagen stellen eine Eintragsquelle von Mikroplastik in die Umwelt dar. Diese Anlagen liefern somit das Anforderungsprofil, um neue Technologien für das Management der Mikroplastik-Verschmutzung zu entwickeln und zu implementieren.

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Der Weg des Plastiks im Abwasser

Mehrere Studien untersuchten die Fähigkeit konventioneller und innovativer Klärtechnologien, Kunststoffe zu entfernen [1-3]. Diese Studien zeigen, dass konventionelle Klärbehandlungen einen hohen Prozentsatz des in den Einflüssen vorhandenen Mikroplastiks eliminieren (zwischen 90 und 98%), die meisten Mikroplastik-Partikel jedoch im Klärschlamm ankommen und über den landwirtschaftlichen Nutzpfad wieder ins Ökosystem gelangen [2]; [4]. Eine Methode zur nachhaltigen Entfernung aus dem Ökosystem bzw. eine schlüssige Sekundärstoffverwertungsmethodik fehlt bisher. Es bleibt jedoch festzuhalten, dass Abwässer aufgrund des großen Abwasservolumens, das ständig abgeleitet wird, eine nicht wegzudiskutierende Quelle von Mikroplastik in die aquatische Umwelt darstellen [3].

Auch das Problem der Akkumulation von Mikroplastik im Klärschlamm birgt ein hohes Risiko, da dieser Prozess und die anschließende beispielsweise landwirtschaftliche Nutzung des mit Mikroplastik kontaminierten Klärschlamms das Mikroplastik-Problem nicht beseitigt, sondern vielmehr für seine weitreichende Verteilung im Ökosystem gesorgt wird.

Abwassertechnologien gegen Mikroplastik

Tabelle 1: Zusammenfassung der Methoden zur Partikelelimination (Stand der Technik) inkl. Bewertungskriterien und Gegenüberstellung mit dem neuen Forschungsansatz von Wasser 3.0 [15]; [12]; [16]
Tabelle 1: Zusammenfassung der Methoden zur Partikelelimination (Stand der Technik) inkl. Bewertungskriterien und Gegenüberstellung mit dem neuen Forschungsansatz von Wasser 3.0 [15]; [12]; [16]
(Bild: Wasser 3.0)

Die am häufigsten verwendeten fortschrittlichen Abwassertechnologien zur Elimination von Mikroplastik sind Membranen, galvanische Abscheidung und Koagulation. Tabelle 1 fasst den aktuellen Stand der Technik der Methoden zur Partikelelimination zusammen.

Der Membranbioreaktor (MBR), die Kombination eines Membranverfahrens wie Mikrofiltration oder Ultrafiltration mit einer biologischen Abwasserbehandlung, ist einer der vielversprechendsten, nimmt man die Meinung einzelner Wissenschaftler aus dem Wassersektor zusammen. Diese Technik zeigte eine bessere Entfernungseffizienz von Mikroplastik (99,4%) im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren auf Basis von Belebtschlamm (98,3%) [1].

Die Effizienz eines MBR-Systems, das bei der Entfernung von Mikroplastik die Behandlung mit Mikrofiltration beendet, wurde auch mit der von Kläranlagen verglichen, die entweder eine Sekundärbehandlung (Belebtschlamm) oder eine Tertiärbehandlung (Granulatsandfiltration) als letzten Schritt anwenden [5]. Das MBR-System bietet die höchste Abscheiderate (99,4%) und leitet 0,5 Mikroplastikpartikel pro Liter (MPs L-1) ab (s. Abb. 2).

Membranbioreaktoren wurden auch mit anderen neuen Tertiärbehandlungen verglichen, beispielsweise Sandfiltern mit schneller Schwerkraft und Flotation mit gelöster Luft. Diese Verfahren liefern Abscheidungsraten von Mikroplastik von >95% aus primären und sekundären Abwässern.

Von biologisch aktiven Filtern bis Elektrokoagulation

Der Einsatz von biologisch aktiven Filtern (BAF) (Filter, die das Wachstum von kontaminationsabbauenden Mikroorganismen ermöglichen) zeigte eine hohe Effizienz bei der Entfernung von Mikroplastik [1]. Die Entfernung von Mikroschadstoffen aus Abwasser während einer Behandlungskaskade aus mechanischer, biologischer und chemischer Behandlung, gefolgt von BAF zeigte in einer Kläranlage mit einem Einzugsgebiet von umgerechnet 800.000 Einwohnern eine Gesamtrückhaltekapazität von >99% auf. Diese Werte konnten jedoch bisher nicht reproduzierbar über die gesamte Mikroschadstofffracht bestätigt werden [3]. MBR und BAF sind bereits in vielen Kläranlagen implementiert, was ihre industrielle Lebensfähigkeit zeigt, obwohl sie teurer sind als andere tertiäre konventionelle Behandlungen.

Darüber hinaus wurde die Wirksamkeit der Elektrokoagulation (EC), eines bekannten und etablierten Verfahrens zur Entfernung von Mikroplastik aus Abwasserströmen, auch mit künstlichem Abwasser untersucht, das PE-Mikrokügelchen in verschiedenen Konzentrationen enthält. Unter verschiedenen Bedingungen (anfänglicher pH-Wert, NaCl-Konzentration und Stromdichte) wurden Wirkungsgrade bei der Entfernung von Mikrokügelchen von >90% beobachtet, was darauf hindeutet, dass EC ein wirksames Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus Abwasserströmen ist. Die optimale Entfernungseffizienz von 99,24% wurde bei einem pH-Wert von 7,5 gefunden.

Die Technik wurde in einem Rührkessel-Chargenreaktor im Labormaßstab (1 l) getestet und könnte unter Verwendung einer industriellen EC-Zelle im großen Maßstab mit einer zweistufigen kontinuierlichen EC-Reaktor-/Absetzanlage lebensfähig sein [6].

Für alle bisher vorgestellten Behandlungsmöglichkeiten von Abwasser sind große bauliche Maßnahmen notwendig. Auch der Energiebedarf, der für den Betrieb der Anlagen notwendig ist, ist nicht zu vernachlässigen. Alle Lösungen beruhen darauf, dass man versucht, Partikel in ihrer Originalgröße und ihrem Originalhabitus zu entfernen. Keines dieser Verfahren wurde bisher hinsichtlich der Entfernungseffizienz gegenüber variablen Polymerendichten analysiert, kein Verfahren wurde mittels eines normierten analytischen Auswertungsverfahrens zur Bestimmung der Entfernungseffizienzen von Mikroplastik betrieben.

EO-Pilotanlage – Energie- vs. Entfernungseffizienz

Abwässer von Waschmaschinen sind eine der Hauptquellen für Mikroplastik und Fasern in kommunalen Gewässern und Oberflächengewässern. Die Auswirkungen dieser Abwässer könnten gemildert werden, indem sie vor ihrer Einleitung in das Abwassersystem durch Elektrooxidation (EO) in einem elektrochemischen Durchflussreaktor unter Verwendung von aktivem (Ti/Pt) oder nicht aktivem Bor dotiertem Diamant (BDD) Anoden und Ti-Kathode behandelt werden [7]. Die BDD-Anode zeigte bei allen untersuchten Stromdichten im Vergleich zu Ti/Pt einen genau definierten Trend sowie eine höhere Entfernungseffizienz. Außerdem wurde ein schnellerer und höherer CSB-Abfall erzielt, indem dem Abwasser Na2SO4 zugesetzt wurde, verglichen mit dem Abwasser im Anlieferungszustand, unabhängig vom verwendeten Anodenmaterial.

An beiden Anoden wurden aus den Cl-Ionen im realen Abwasser auch aktive Chlorspezies elektrochemisch hergestellt, was zur Eliminierung der Fasern und Mikroplastik beitrug. Basierend auf den publizierten Ergebnissen könnte EO zu einem effizienten und effektiven Behandlungsansatz für die Beseitigung von Mikroplastik und anderen Schadstoffen in Abwässern von Waschmaschinen werden, insbesondere mit der BDD-Anode. Diese Ergebnisse bestätigen bisher nur die Anwendbarkeit von elektrochemischen Präpilotanlagen.

Polymere/Polyelektrolyte mit Polymeren bekämpfen?

Da Mikroplastik in Süßwässern nach und nach nachgewiesen wird, ist es dringend erforderlich zu verstehen, wie sich Mikroplastik mit seiner geringen Partikelgröße und geringen Dichte bei aktuellen Trinkwasseraufbereitungsprozessen verhalten. Bislang wurde jedoch nur das PE-Entfernungsverhalten mit häufig verwendeten Flockungsmitteln und Ultrafiltrationsmembranen systematisch untersucht [8].

Die Ergebnisse zeigten, dass Salze auf Al-Basis eine bessere Leistung bei der PE-Entfernung erbringen als Salze auf Fe-Basis. Je kleiner die PE-Partikelgröße ist, desto höher ist die Entfernungseffizienz.

Die Polyacrylamid (PAM)-Addition spielte eine wichtige Rolle bei der Entfernung von PE, insbesondere der anionischen PAM-Addition, aufgrund der positiv geladenen Al-basierten Flocken, die sie unter neu- tralen Bedingungen erzeugt. Für die Ultrafiltration wurde nach der Koagulation mit herkömmlichen Salzen auf Al-Basis eine leichte Membranverschmutzung induziert, obwohl PE-Partikel vollständig ausgeschieden werden können. Laut dieser Studie haben Koagulations- und Ultrafiltrationsverfahren eine potenzielle Anwendung in der Trinkwasseraufbereitung, um Mikroplastik zu eliminieren. Die Studie wurde jedoch nur im Labormaßstab durchgeführt.

Mit dem Wissen, dass Acrylamid von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als genotoxisch und „wahrscheinlich karzinogen“ eingestuft wurde und dass für Produkte aus Polyacrylamiden deshalb bereits Grenzwerte gelten, stellt sich jedoch die Frage nach der Sinnhaftigkeit dieser Abwasserbehandlungsmethode zur Elimination von Mikroplastik.

Skalierbare und adaptive (Ab-)Wasserbehandlung

Neuere Verfahren im Bereich der Abwassertechnologien können auf verschiedene Wassersysteme ausgeweitet werden. Ein Ansatz für den Bereich Mikroplastikelimination, der seit 2012 kontinuierlich bis zur Pilotanlage weiterentwickelt wurde, liefert Wasser 3.0 PE-X. Dabei erfolgt eine pH-induzierte Agglomeration und die anschließende Entfernung von Partikeln aus Wasser (Wasser 3.0 PE-X) [9-13]. Der zweistufige Prozess umfasst zum einen eine Lokalisierung und zum anderen eine Aggregation von Mikroplastik-Partikeln (250 bis 350 μM) in einem physikochemischen Prozess.

Ergänzendes zum Thema
Was ist Wasser 3.0?

Unter der fachlichen Leitung von Dr. Katrin Schuhen erforschen und entwickeln Wissenschaftler und Netzwerkpartner aus Wirtschaft, Politik und Gesellschaft innovative Konzepte zur effizienten und nachhaltigen Entfernung von Mikroschadstoffen aus allen Arten von Wasser. Wasser neu denken, ist stets Programm. Bei Wasser 3.0 vereinen sich Innovationskraft, professionelles Know-how und Idealismus zum großen Ziel, die globale Wasserqualität zu verbessern. Wasser 3.0 versteht sich dabei als ein Teil der Lösung. Unter dem Leitsatz „Weil Wasser uns alle angeht“ ist wissenschaftlich-fundierte Kommunikation und Aufklärung über Hintergründe, Motivationen und Ziele der Arbeiten von Wasser 3.0 ein weiterer Schwerpunkt.

Dieses Verfahren beruht auf der starken Erhöhung der Partikelgröße unabhängig vom pH-Wert des aquatischen Milieus, die durch die Zugabe von hydroylsierbaren anorganisch-organisch substituierten Silizium-Derivaten hervorgerufen wird. Die resultierenden Mikroplastik-Aggregate auf Silizium-Basis (Partikelgröße nach Aggregation 2 bis 3 cm) können leicht entfernt werden, indem z.B. Sandfang verwendet werden. Dieses Verfahren erwies sich als übertragbar und reproduzierbar vom Labormaßstab auf den industriellen Maßstab und auf Salzwassermilieus [14].

Die bereitgestellten Informationen zeigen insgesamt auf, wie fortschrittliche Wasseraufbereitungstechnologien in der letzten Stufe die Mikroplastik-Belastung, die aus Kläranlagen in die Gewässer eingeleitet wird, reduzieren und dazu beitragen können, diese Verunreinigungen aus Süßwasserökosystemen und Trinkwasser zu entfernen. Mit Wasser 3.0 PE-X gibt es sogar ein Verfahren, welches skalierbar, adaptierbar und kombinierbar ist, sodass nicht nur die Mikroplastik-Fracht maßgeblich reduziert werden kann, sondern auch variable Süß- und Salzwasserumgebungen von diesem Verfahren profitieren können, um den Eintrag von Mikroplastik und gelösten Mikroschadstoffen ins Ökosystem zu verhindern.

Artikelserie: Mikroplastik im Wasser In der Artikelserie des Projektes „Wasser 3.0“ stellt die Forscherin Dr. Katrin Schuhen Erkenntnisse über die Folgen von Mikroplastik im Wasser vor. Auch Strategien zum Nachweis und zur Beseitigung von Plastikpartikeln sind Thema der Artikelserie.

Teil 1: Mikroplastik & Citizen Science: Wenn die Öffentlichkeit die Forschung lenkt

Teil 2: Eine Frage, viele Meinungen: Mikroplastik, was ist das?

Teil 3: Mikroplastikanalytik: Was bin ich, und wenn ja wie viele

Teil 4: Mikroplastik gesucht

Teil 5: Problemklärung – Mikroplastik im Abwasser

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