Um Mikroschadstoffe wie Arzneimittelrückstände aus Abwasser zu eliminieren, kommt in Kläranlagen häufig Aktivkohle zum Einsatz, die meist aus fossiler Steinkohle hergestellt wird. Im Verbundprojekt »ZeroTrace« will Fraunhofer UMSICHT nun Adsorptionsmaterialien aus nachwachsenden Ausgangsstoffen entwickeln, die ortsnah regeneriert werden und in kommunalen und industriellen Kläranlagen implementiert werden können. Das Projekt ist im Februar offiziell mit einem Auftakttreffen der sieben Projektpartner an der Kläranlage Wuppertal-Buchenhofen gestartet.
Weltweit sind 50 Millionen organische Verbindungen im Wasser im Umlauf, von denen 5000 als potenziell umweltrelevant eingestuft werden. So sind die Ab- und Gewässer in Deutschland mit Mikroschadstoffen wie Arzneimittelrückständen, Pflanzenschutzmitteln oder Schwermetallen belastet, die über die Landwirtschaft, Industrie und die Entwässerung von Wohn- und Industriegebieten in Grund- und Trinkwasser gelangen. Mikroschadstoffe sind schwer abbaubar und können trotz ihrer geringen Konzentration toxisch wirken. Um die Substanzen zu entfernen, werden in Kläranlagen häufig Aktivkohlefilter eingesetzt, die die organischen Stoffe an ihrer Oberfläche binden. Die für den Prozess gebrauchte Aktivkohle wird anschließend entweder entsorgt oder in zentralen Verbrennungsanlagen regeneriert.
Ein Nachteil dieses Verfahren ist, dass der überwiegende Anteil an Aktivkohle aus Steinkohle gewonnen wird – einem fossilen und nicht nachwachsenden Rohstoff. Gleichzeitig findet die Regeneration der Aktivkohle derzeit unter hohem energetischen und logistischen Aufwand statt. Vor diesem Hintergrund möchte das Fraunhofer Institut für Umwelt‑, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT unter der Projektleitung des Wupperverbands gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung im Projekt »ZeroTrace« Aktivkohlen entwickeln, die aus regenerativen Rohstoffen wie Kokosnussschalen hergestellt werden und in großen Mengen preiswert verfügbar sind. »Die Aktivkohle soll außerdem effizient regenerierbar sein sowie möglichst viele Arten von Mikroschadstoffen entfernen«, sagt Dr. Ilka Gehrke, Abteilungsleiterin Photonik und Umwelt bei Fraunhofer UMSICHT. Ein weiteres Projektziel ist deshalb die Entwicklung neuer Regenerationsverfahren für kommunale und industrielle Kläranlagen, die vor Ort stattfinden, energieeffizient sind und somit bestehende Prozesse optimieren.
Nachhaltige Komposit-Aktivkohle
Der Lösungsweg umfasst entlang der kompletten Wertschöpfungskette zunächst die Entwicklung von Aktivkohle als Komposit, das von der Bundesanstalt für Materialprüfung und ‑forschung modifiziert und von EVERS Wassertechnik und Anthrazitveredlung für die spätere Anwendung konfektioniert wird. Gemeinsam mit EnviroChemie wird Fraunhofer UMSICHT ein Verfahren auf Basis von »Electric Field Swing Adsorption« (EFSA) entwickeln, mit dem sich Aktivkohlen vor Ort regenerieren lassen, statt sie unter Aufwand zu einer zentralen Verbrennungsanlage zu fahren. Das neue Verfahren soll die Wärme zum Ausbrennen der Aktivkohle elektrisch erzeugen, weshalb den Aktivkohlen elektrisch leitende Materialien wie Graphit zugegeben werden. Denn je elektrisch leitfähiger die Aktivkohle ist, desto besser erwärmt sie sich und desto vollständiger werden die Mikroschadstoffe in der Regeneration wieder abgelöst. Der gesamte Prozess soll schließlich von EnviroChemie anlagentechnisch umgesetzt und auf zwei Kläranlagen des Wupperverbands unter realen Bedingungen demonstriert werden. Zudem betrachtet inter3 erstmalig die Entwicklung neuer Aktivkohlematerialien und ‑verfahren im Rahmen einer Multi-Kriterien-Analyse.
Beim Auftakttreffen des »ZeroTrace« Konsortiums am 21. Februar 2017 waren sich die beteiligten Fachleute einig, dass Aktivkohle langfristig in der Mikroschadstoff-Eliminierung nicht ersetzbar ist. Deshalb gilt es, den für den Filtrationsprozess wichtigen Ausgangsstoff ressourcenschonender und seine Regeneration effizienter zu gestalten. Vor dem Hintergrund, dass in Deutschland voraussichtlich eine vierte Klärstufe eingeführt werden soll, müssen in den nächsten Jahren vermutlich weit über hundert Kläranlagen und Wasserwerke mit einer Adsorptionsstufe ausgerüstet werden. »Wir erhoffen uns vom Projekt somit nicht nur einen Erkenntnisgewinn zur Herstellung von Komposit-Aktivkohle aus nachwachsenden Rohstoffen«, so Dr. Gehrke. Auch die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten der im Rahmen von »ZeroTrace« zu entwickelnden Adsorptionssysteme und ‑materialien schätzt das Projektkonsortium hoch ein.
