Weltweit sind 50 Millionen organische Verbindungen im Wasser im Umlauf. 5.000 von ihnen sind als potenziell umweltrelevant einzustufen. 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 Mikroschadstoffe wie Arzneimittelrückstände aus Abwasser zu eliminieren, nutzen Kläranlagen häufig Aktivkohlefilter, die die organischen Stoffe an ihrer Oberfläche binden. Aktivkohle besteht bisher jedoch meist aus fossiler Steinkohle. Die für den Prozess gebrauchte Aktivkohle wird anschließend entweder entsorgt oder in zentralen Verbrennungsanlagen regeneriert – unter hohem energetischen und logistischen Aufwand.
Filtern mit Kokosnussschalen
Im Verbundprojekt ZeroTrace will Fraunhofer Umsicht gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung deshalb Adsorptionsmaterialien aus regenerativen Ausgangsstoffen entwickeln, die ortsnah regeneriert werden und in kommunalen und industriellen Kläranlagen genutzt werden können. Regenerative Rohstoffen könnten etwa Kokosnussschalen sein, die 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.
Umrüstung vieler Kläranlagen steht bevor
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.
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.
