Spurenstoffelimination aus kommunalem Abwasser

Mittlerweile können ca. 150, z.T. äußerst umwelt- und auch gesundheitsschädliche Arzneimittelwirkstoffe in Oberflächengewässern und im Grundwasser nachgewiesen werden. Humanarzneimittel gelangen über die Kanalisation und die Kläranlagen in die Oberflächengewässer.

Medikamente im Abwasser

In vielen Oberflächen- und Grundwässern kann das Schmerzmittel Diclofenac nachgewiesen werden, da Kläranlagen den Schadstoff nicht nennenswert abbauen können. Deshalb eignen sich dieses und das Herzmedikament Metoprolol gut als Testsubstanzen, mit denen wir mögliche Biosorbenzien auf ihre Wirksamkeit untersuchen.

Spurenstoffe eliminieren durch nachhaltige Adsorbenzien

Projekt BioSorb

Die Verunreinigung durch Medikamente, Biozide oder Industriechemikalien im Abwasser nimmt immer weiter zu, unter anderem da Kläranlagen viele dieser Substanzen nicht abbauen können und sie so wieder in die Umwelt gelangen. Zwar verfügen Kläranlagen meist über eine nachgeschaltete Aktivkohleadsorption, aber auch hier können die Spurenstoffe nur zum Teil zurückgehalten werden. Besonders polare Stoffe bleiben oft im Wasser zurück, da Aktivkohle in erster Linie unpolare und wenig polare Substanzen bindet.

Im Projekt BioSorb entwickeln wir gemeinsam mit dem Fraunhofer UMSICHT neue Adsorptionsmittel für die Eliminierung von Spurenstoffen in kommunalen Abwässern. Diese sollen auf nachwachsenden Rohstoffen basieren und dabei deutlich ressourcenschonender und auch selektiver als herkömmliche Aktivkohle vorgehen. Besonders proteinbasierte Materialien sind vielversprechende Biosorbenzien, da diese weltweit in großem Umfang endlos und günstig vorhanden sind.

Aktivkohle
© Fraunhofer UMSICHT

BioSorb: Fraunhofer-Forschende wollen Aktivkohle durch proteinhaltige, nachwachsende Rohstoffe ersetzen.

Schritt für Schritt zu sauberem Wasser

Dazu starten wir zunächst mit einem Screening verschiedener proteinhaltiger Materialien. Dabei untersuchen wir natürlich nachwachsende Ausgangsstoffe genauer und es werden diese in ersten Adsorptionsversuchen in kleinem Maßstab getestet. Vielversprechende Materialien analysieren wir im nächsten Schritt. Oftmals verbessert eine chemische Behandlung – wie eine Kombination aus Säure- und Wärmebehandlung – die Absorptionsfähigkeit.

Bei einer groß angelegten Versuchsreihe werden anschließend die ausgewählten Biosorbenzien mit Diclofenac (Schmerzmittel) und Metoprolol (Betablocker) getestet und auf ihre Wirksamkeit geprüft. Diese beiden Medikamente eignen sich besonders gut als Testsubstanzen, da sie häufig in Grund- und Oberflächengewässern vorkommen und bisher kaum in Kläranlagen abgebaut werden. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es weiterhin vielversprechend, wenn das Adsorptionsmittel wiederverwendet werden kann. Deshalb wird die Regenerierbarkeit des Systems durch verschiedene Lösungsmittel überprüft und die gewählten Materialien genauer analysiert und charakterisiert.
 

ITWM liefert Simulationsexpertise

Parallel dazu erfolgt die Entwicklung eines numerischen Adsorptionsmodells. Insbesondere hier ist die Expertise unseres Instituts gefragt, bereits im EU-Projekt zur Trinkwasseraufbereitung Nanopur haben wir Simulationswerkzeuge und Methoden zur Wasserver- und -Entsorgung entwickelt. Auf diese Erkenntnisse baut BioSorb nun auf. Durch unsere hohe Rechnerkapazität und unsere Erfahrung mit Simulationsstudien liefern wir das Fachwissen zur notwendigen Multiskalensimulation, welche die Adsorbenzien bewertet. 

Die Ergebnisse der Simulation werden im letzten Schritt validiert und verifiziert. Dies geschieht zunächst in dotierten Wässern, da wir dort die Wirkung des Adsorbens ohne überlagernde Messungen überprüfen können. Anschließend werden die Adsorptionsmittel in praxisrelevanten Gewässern, unter anderem Wasser des Kläranlagenablaufs aus Wuppertal-Buchenhofen, eingesetzt.