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2024
- Plasmatechnologie in der Abwasseraufbereitung
- Grubenwasser in Südafrika: Nachhaltig aufbereitet
- Laser-Tauchsonde für ein smartes Inline-Monitoring von Wasser und Abwasser
- Industrieabwasser gezielter behandeln dank Wasserforschung
- Wie Pflanzenkläranlagen Abwasser filtern
Plasmatechnologie in der Abwasseraufbereitung
Die Elimination von schwer abbaubaren Inhaltsstoffen im Ablauf von Kläranlagen, aber auch zwischen den einzelnen Reinigungsstufen einer Kläranlage selbst, stellt sowohl im industriellen als auch kommunalen Sektor eine aktuelle und dringende Herausforderung dar. Viele Verfahren kommen hierfür in Frage oder werden untersucht. Je nach spezifischen Anforderungen setzt TIA Technologien zur Industrie-Abwasser-Behandlung GmbH aus Breitenfelde bereits diverse Verfahren ein. Da alle Verfahren Vor- und Nachteile bieten, untersucht das Unternehmen zusätzliche, neue Möglichkeiten. Bei möglichst geringen Betriebskosten – Bedienung, Wartung, Logistik, Energie, Betriebsstoffe, Entsorgung – sollen auch im großtechnischen Bereich dieselben oder eben bessere Ergebnisse zu erzielt werden als mit bekannten Verfahrensschritten. Plasma gegen Keime und Arzneimittelrückstände
Beim Einsatz der Plasmatechnologie in der Abwassertechnik kooperieren TIA und das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP) aus Greifswald. In weiterer Zusammenarbeit mit Hamburg Wasser wurde und wird beispielsweise in einer Pilotanlage untersucht, wie multiresistente Keime und Arzneimittelrückstände wirksam aus dem Abwasser von Krankenhäusern entfernt werden können. Auch für den Einsatz zur Aufbereitung von Deponie-Sickerwasser und schwer biologisch abbaubaren Stoffen in industriellen Abwässern ist diese Technologie interessant und ihre technische Anwendung wird untersucht. Das Plasmaverfahren benötigt keine Betriebsmittel außer elektrischer Energie und ist leicht in seiner Leistung steuerbar. Somit ist es auch für Einsatzfälle interessant, in denen keine durchgehende Betreuung der Anlage möglich ist. Mittels KI können auf Schwankungen der Verunreinigungen über entsprechende Algorithmen automatisch reagiert und die Prozesse optimiert werden. Durch ihre breit gefächerten Einsatzmöglichkeiten kann die Plasma-Technologie eine Alternative für mehrere ansonsten nacheinander zu installierenden Verfahren sein.
Re-Use von Abwasser
TIA realisiert neben zahlreichen Anlagen zur reinen Industrie- abwasserbehandlung in Europa, Asien und Afrika immer mehr wirtschaftliche Aufbereitungsverfahren zur Wiederverwendung (Re-Use) von Abwasser in industriellen Prozessen. Hierbei spielten die Kosten für Frischwasser und, in vielen Fällen, deren Subventionierung eine Rolle. Insgesamt ist aber die Richtung zur Mehrfachnutzung von Wasser vorgegeben. Auch hier stehen individuell angepasste Lösungen zur Verfügung, um Abwässer technisch und wirtschaftlich erfolgreich aufzubereiten. In vielen Anlagen zur Reinigung und Aufbereitung von Abwasser ist aber immer noch die biologische Stufe – anaerob und/oder aerob – aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ein Kernstück der Verfahrenskette. Hier gibt es Neuentwicklungen im Bereich der Leistungsdichte, der Effizienz und der Steuerbarkeit, wie den CCB – Capacity Controlled Bioreactor. Die Möglichkeit der Steuerung von Bioreaktoren über den Biomassegehalt ist auch für eine weitere Digitalisierung des Anlagenbetriebs von großer Bedeutung.
Im kommunalen Bereich bleibt TIA bei den Kompaktanlagen, die mit Partnern im Ausland standardisiert aufgebaut werden. Kleine Anlagen werden nach dem Prinzip IKEA im Selbstbau erstellt und können daher äußerst kostengünstig realisiert werden. Auch hier kann das Plasmaverfahren zur Entkeimung im Ablauf eingesetzt werden und damit die Wiederverwendung des Wassers ermöglichen.
Autor:innen:
Anna Lena Blanke, Dr. Norbert Müller-Blanke
TIA Technologien zur Industrie-Abwasser-Behandlung GmbH
https://tia-abwasser.de/wp-content/uploads/SD_WA_04_2024_F_TIA.pdf
Grubenwasser in Südafrika: Nachhaltig aufbereitet
Im Ruhrgebiet wurde über 150 Jahre lang Steinkohle abgebaut – mit weitreichenden Folgen für das Wassermanagement in der Region. In Südafrika, einem der größten Bergbauländer der Welt, unterstützen Wasseringenieur:innen und Gewässerexpert:innen des Zentrums für Wasser- und Umweltforschung der Universität Duisburg-Essen nun mit Lösungsansätzen zum nachhaltigen Gewässermanagement. Das Verbundprojekt MAMDIWAS* wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 1,3 Millionen Euro gefördert.
Der Bergbau in Südafrika hat erhebliche Auswirkungen auf die Wasserqualität und -verfügbarkeit. Durch den Bergbau werden das Grundwasser und die Oberflächengewässer mit Schwermetallen, Säuren und anderen giftigen Substanzen verschmutzt, der Grundwasserspiegels sinkt und die lokale Wasserversorgung wird beeinträchtigt. Langfristig entstehen in den aquatischen Ökosystemen erhebliche ökologische Schäden.
„Gemeinsam mit lokalen Partnern aus Forschung und Industrie wollen wir die ökologischen und finanziellen Herausforderungen angehen, die durch das unbehandelte, vom Bergbau beeinflusste Wasser (MIW) entstehen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Panglisch. „Wir wollen demonstrieren, wie dieses Wasser aufbereitet werden kann, um es beispielsweise als Trinkwasser oder zur Bewässerung weiterzuverwenden.“ Gleichzeitig wird das Potenzial für das Recycling von Rohstoffen erforscht, die sich im Minenwasser befindet, was zusätzliche ökonomische und ökologische Vorteile verspricht.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Förderung der Wettbewerbsfähigkeit durch die Wiederverwendung von Wasser und Materialien. „Diese Maßnahme soll nicht nur technologische Innovationen anregen, sondern auch das Unternehmertum und die aktive Beteiligung der lokalen Gemeinden fördern und die nachhaltige Entwicklung in der Region unterstützen“, betont Panglisch.
Das Projekt hat außerdem zum Ziel, den ökologischen Zustand der Flüsse nachhaltig zu verbessern, die durch Grubenwasser belastet sind. Hierfür wird ein regionales Konzept für integriertes Wasserressourcen-Management entwickelt, das spezifisch auf die Bedürfnisse der betroffenen Gebiete zugeschnitten ist.
„Unser Ziel ist es, die Transformation von einer bergbaubasierten Gesellschaft hin zu einer nachhaltigen Nachbergbau-Region voranzutreiben. In diesem Kontext ist das Ruhrgebiet ein Paradebeispiel dafür, wie Strukturwandel erfolgreich durch gezielte Maßnahmen zur wirtschaftlichen Diversifizierung und umfangreiche Umweltmaßnahmen gelingen kann. Diese Erfahrungen bieten wertvolle Erkenntnisse für Südafrika, wo ähnliche Herausforderungen bestehen“, sagt Panglisch.
*Das Verbundprojekt MAMDIWAS (Making mining-influenced water a driver for change to improve water security in South Africa) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 1,3 Millionen Euro gefördert. Die UDE erhält 725.000€. Zu den deutschen Partnern des Verbundprojekts gehören das IWW Zentrum Wasser, das Wuppertal Institut und die SiMA-tec GmbH. Auf südafrikanischer Seite sind die Stellenbosch University und die University of South Africa beteiligt. Darüber hinaus arbeitet der Verbund mit 13 assoziierten Partnern wie der Ruhrkohle AG und dem südafrikanischen Energiekonzern Eskom zusammen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Stefan Panglisch, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik/ Wassertechnik, Tel. 0203 379 3477, stefan.panglisch@uni-due.de
Merkmale dieser Pressemitteilung:
https://idw-online.de/de/news835914
Laser-Tauchsonde für ein smartes Inline-Monitoring von Wasser und Abwasser
Eine neuartige laserbasierte Tauchsonde, die das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen im Zuge BMBF- und EU-geförderter Projekte mit Industriepartnern und Anwendern erprobt, könnte den Weg zu einem fortlaufenden Inline-Monitoring von Wasseraufbereitungsprozessen in Kläranlagen ebnen. Das 2D-Fluoreszenzmessverfahren generiert direkt vor Ort spektroskopische Daten im Klärbecken. Diese sind in Verbindung mit einer intelligenten Auswertesoftware der Schlüssel zu einer energie- und ressourceneffizienten Wasseraufbereitung. Auf der Münchener Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft IFAT 2024 wird das Verfahren erstmals öffentlich präsentiert.
Um Wasseraufbereitungsprozesse in Kläranlagen zu überwachen, setzen deren Betreiber bisher auf 24-Stunden-Mischproben. Diese werden über den Tagesverlauf kontinuierlich gesammelt und anschließend im Labor auf Summenparameter hin analysiert; so etwa die Gesamtmenge enthaltener organischer Kohlenstoffe (Total Organic Carbon; TOC), gelöste organische Kohlenstoffe (Dissolved Organic Carbon; DOC) oder die Menge an Sauerstoff, die der vollständige aerobe Abbau biologischer Inhaltsstoffe (Biological Oxygen Demand; BOD) verbraucht. Angesichts der steigenden Bevölkerungsdichte in urbanen Räumen und variierender Abwasserzusammensetzungen stößt dieses 24-Stundenraster jedoch an Grenzen. Eine engmaschigere Kontrolle wäre nicht nur mit Blick auf die Qualität aufbereiteter Abwässer wünschenswert. Auch der Bedarf an Energie und teuren, in der Herstellung oft umweltbelastenden Betriebsstoffen ließe sich erheblich reduzieren, wenn die Betreiber im laufenden Aufbereitungsprozess nachvollziehen könnten, wie sich die Messwerte der Summenparameter verändern, um ihre Anlagen auf dieser Echtzeitdatenbasis steuern zu können.
Neuartige Tauchsonde detektiert Emissionen von Fluorophoren im Abwasser
Ein Forschungsteam des Fraunhofer ILT legt aktuell das technologische Fundament, um eine solche datenbasierte Wasseraufbereitung real werden zu lassen. Das Herzstück hierfür ist eine neuartige laserbasierte Tauchsonde, welche die Wasseranalytik aus dem Labor direkt in die Klärbecken verlegt. »Wir nutzen das Phänomen, dass für die Wasserqualität relevante Inhaltsstoffe bei der Anregung mit spezifischen Lichtwellenlängen fluoreszieren. Unsere Tauchsonde regt diese Fluorophore mit verschiedenen Wellenlängen zwischen dem UV- und dem sichtbaren Spektralbereich an und detektiert jeweils die emittierten Fluoreszenzsignale«, erklärt Dr. Christoph Janzen, Spezialist für Bioanalytik, der am Fraunhofer ILT für die Entwicklung der 2D-Fluoreszenzsonde verantwortlich ist. Targets der Inline-2D-Fluoreszenzanalytik sind beispielsweise die Aminosäuren Tryptophan (TRP), Tyrosin (TYR), Phenylalanin (PHE) und die Gruppe der Huminsäuren (HS). Da die Wellenlängen für ihre Anregung von 260 Nanometern für PHE bis 350 Nanometern für HS reichen, koppelt das Team die Sonde mit einer durchstimmbaren Lichtquelle. »Diese kann alle Zielstoffe mit ihren spezifischen Wellenlängen anregen. Sofern sie im Abwasser vorhanden sind, emittieren sie ihr charakteristisches längerwelliges Fluoreszenzsignal«, sagt er. Mithilfe eines empfindlichen Spektrometers lässt sich für jede Anregungswellenlänge ein Fluoreszenzspektrum aufnehmen.
So entstehen 2D-Karten, welche die Anregungswellenlängen samt korrespondierender Lichtemission festhalten. Diese Anregungs-Emissions-Matrizen (Excitation Emission Matrices; EEM) visualisieren die detektierten Fluoreszenzsignale und informieren die Betreiber in jedem Stadium des Aufbereitungsprozesses präzise über die organische Schmutzfracht im Abwasser. »Diese 2D-Fluoreszenzmessung ermöglicht es, inline die charakteristischen Summenparameter des Abwassers direkt im Aufbereitungsprozess zu erfassen. Bisherige Verfahren können das nur offline im Labor. Kommerziell verfügbare Inline-Sonden für die Summenparameterbestimmung sind oft nur in einem begrenzten Parameterbereich zuverlässig und liefern falsche Messdaten, wenn die Abwasserzusammensetzung stark variiert«, erklärt Janzen. Um die Messungen abzusichern, sei es möglich, mit der Tauchsonde ergänzend zu den Fluoreszenzdaten auch Transmissionsspektren aufzunehmen.
Anspruchsvolle Integration in eine handliche Tauchsonde
Um das komplexe Inline-Messverfahren, das bisher üblicherweise offline in Laborgeräten erfolgt, in Form einer handlichen Tauchsonde zu realisieren, hat das Team auf den umfassenden Optikdesign- und Messtechnik-Kompetenzen des Fraunhofer ILT aufgebaut. Als Strahlquelle dient im Sinne hoher Brillanz und geringer Wärmeverluste eine lasergezündete Xenon-Plasma-Lampe. Über einen Monochromator wird aus ihrem Licht die jeweils gewünschte Wellenlänge gefiltert und über eine optische Faser zur Tauchsonde geleitet. Dort kollimiert eine Linse das Licht der Quelle und fokussiert es mit einer asphärischen Optik am Messpunkt. Dieselbe Optik koppelt Fluoreszenzsignale der gesuchten Inhaltsstoffe über eine zweite Kollimationslinse in eine weitere Faser ein und überträgt sie zu einem CCD-Spektrometer. Zur Auswertung und Visualisierung der Messdaten ist eine Software im Einsatz, die das Team in einem Verbundforschungsprojekt mit Partnern aus Industrie und Forschung entwickelt hat.
Während das Aachener Forschungsteam die Sonde selbst im EU-geförderten Projekt »FluoMonitor – 2D-Fluoreszenzsonde für das Inline Wasser- und Abwasser Monitoring« mit einem mittelständischen Anbieter von Messtechnik, einem wasserwirtschaftlichen Forschungsinstitut sowie einem regionalen Wasserverband entwickelt hat, geht es im laufenden BMBF-Förderprojekt AIX-Watch darum, die 2D Fluoreszenz-Messmethodik weiterzuentwickeln und unter Realbedingungen zu erproben. »Das mittelfristige Ziel ist es, die Steuerung und Regelung von Kläranlagen auf Basis der fortlaufenden Inline-Messungen zu optimieren«, sagt Janzen. Betreiber müssen kontrollieren und dokumentieren, dass ihre Anlage die Grenzwerte für Summenparameter wie TOC, DOC und BOD einhält. Diese erfasst das neuartige 2D-Fluoreszenzverfahren zwar nicht direkt, doch korrelieren die erfassten Amino- und Huminsäuren mit den Summenparametern. »Es gibt bereits mathematische Modelle, die aus diesen Korrelationen auf die Werte der Summenparameter schließen. Wenn diese Modelle fortlaufend erhobene Inline-Messdaten verarbeiten, die unsere Tauchsonden liefern, wird die Analysegenauigkeit perspektivisch immer weiter zunehmen«, sagt Janzen. Betreiber bekämen so Inline-Zugriff auf den Status ihrer Wasseraufbereitungsprozesse und könnten die Betriebsstrategien entsprechend anpassen.
Mit KI und Inline-Sensorik zu einer smarten, adaptiven Wasseraufbereitung
Damit würde die laserbasierte Tauchsonde zur Basistechnologie für eine smarte Wasseraufbereitung. Im Zusammenspiel von Inline-Sensorik und Künstlicher Intelligenz wäre es trotz schwankender Abwasserzusammensetzungen möglich, Energie und aufwändig herzustellende Betriebsstoffe wie Ozon nur in dem Maß einzusetzen, wie es zum Einhalten der gesetzlichen Grenzwerte tatsächlich notwendig ist. »Da wir uns hier im Bereich mathematischer Modelle bewegen, bedarf es noch der Absicherung durch herkömmliche Offline-Analysen«, betont Janzen. Doch die lernenden Modelle seien ein vielversprechender Ansatz für eine adaptive Abwasseraufbereitung, die sich auf Inline-Messungen stützt und am Ist-Zustand des Wassers und seiner aktuellen Zusammensetzung ihre Betriebsstrategien orientiert. Um das Verfahren auf einen flächendeckenden Einsatz vorzubereiten, treibt das Team am Fraunhofer ILT parallel die Weiterentwicklung der Sonde voran. Ein Ansatz dafür ist es laut Janzen, anstelle der durchstimmbaren Xenon-Plasma-Lichtquelle kostengünstigere LEDs einzusetzen. Denn im Zusammenhang mit Datamining und KI komme es vor allem darauf an, die Datenbasis schnell auszuweiten. Kostengünstigere Tauchsonden sind ein Weg, um diesem Ziel näher zu kommen. »Interessierte sind herzlich eingeladen, sich auf der IFAT 2024 am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle B2, Stand 338) eingehend über das neue 2D Fluoreszenz-Messverfahren und dessen Zukunftspotenzial zu informieren«, erklärt Janzen.
https://www.ilt.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/2024/5-2-fluo-monitor-laser-tauchsonde.html
Industrieabwasser gezielter behandeln dank Wasserforschung
Traditionell ist die Abwasserreinigung in der Schweiz auf das häusliche Abwasser, namentlich auf die Entfernung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor ausgerichtet. Erst in jüngerer Zeit stehen auch problematische Rückstände von Arzneimitteln, Pestiziden und anderen Chemikalien im Fokus. Eine neue Untersuchung des Wasserforschungsinstituts Eawag im Auftrag des Bundes zeigt nun, dass es auch beim Abwasser aus Chemie- und Pharmabetrieben noch Verbesserungspotential gibt – auf den Kläranlagen und innerhalb der Betriebe.
Fast 40% aller Schweizer Abwasserreinigungsanlagen (ARA) haben chemisch-pharmazeutische Unternehmen in ihrem Einzugsgebiet und reinigen somit potentiell auch Abwasser aus diesen Betrieben. Oft war aber bisher gar nicht genau bekannt, welche Stoffe in welchen Konzentrationen darin vorkommen, und längst nicht alle der Substanzrückstände werden heute von den ARA entfernt. Zwei neue, soeben in der Zeitschrift Aqua&Gas publizierte Studien der Eawag helfen den Unternehmen mit gezielten Messkampagnen, ihre Betriebsabläufe oder Abwasservorbehandlungen zu verbessern. Ziel ist es, dass weniger der unerwünschten Substanzen ins Abwasser, zu den ARA und schliesslich in die Umwelt gelangen.
Mit Messkampagne zu gezielten Massnahmen
Leitet ein Chemie- oder Pharmabetrieb Abwasser in Gewässer oder die Kanalisation ein, sind die zulässigen maximalen Konzentrationen für einzelne Schwermetalle oder Summengehalte für organische Kohlenwasserstoffe in der schweizerischen Gewässerschutzverordnung geregelt. Für einzelne organische Wirkstoffe hingegen kennt die Verordnung keine Grenzwerte. Das trägt dazu bei, dass diese Substanzen im Betriebsabwasser oft gar nicht gemessen werden. Dies obwohl die verschiedenen Einzelstoffe aufgrund ihrer Langlebigkeit, Mobilität oder Wirkung auf Gewässerorganismen für den Gewässerschutz relevant sein können. Messdaten liefern jedoch wichtige Informationen, um die bereits bestehenden Massnahmen der Betriebe gezielt zu verbessern. In den zwei heute publizierten Studien ist die Eawag daher zusammen mit den Betrieben der komplexen Zusammensetzung von industriellem Abwasser mit modernsten Messtechniken nachgegangen.
Grosse Unterschiede zwischen Herstellung und Weiterverarbeitung
Beide Studien entstanden in Zusammenarbeit mit kantonalen Fachstellen und der chemisch-pharmazeutischen Industrie. Die eine Studie untersuchte das Abwasser von Substanzherstellern (synthetisierende Betriebe). Die meisten dieser Betriebe verfügen über eine eigene Abwasserbehandlung oder sind mit anderen Firmen gemeinsam an eine Industriekläranlage angeschlossen. In ihrem Abwasser wurde erwartungsgemäss eine grosse Substanzvielfalt aus Ausgangsstoffen, Zwischen- und Endprodukten gefunden. Bis zu 15mal mehr verschiedene Stoffe massen die Forschenden im gereinigten Abwasser der Industriekläranlagen als in ARA mit nur kommunalem Abwasser.
Die zweite Untersuchung konzentrierte sich auf Firmen, welche die Wirkstoffe zu Endprodukten (Tabletten, Kapseln, Lösungen, Crèmes etc.) verarbeiten. Sie werden als formulierend bezeichnet. Bei ihnen war das Spektrum der Stoffe deutlich kleiner. Hingegen wurden hier kurzzeitig stark erhöhte Konzentrationen im Abwasser detektiert, das nach dem Waschen von Anlagen entsteht, wenn auf eine neue Produktionscharge umgestellt wurde.Mehr:
https://www.eawag.ch/de/info/portal/aktuelles/news/industrieabwasser-gezielter-behandeln-dank-wasserforschung/
Wie Pflanzenkläranlagen Abwasser filtern
Die naturnahen Kleinanlagen bieten eine sehr überzeugende Reinigungsleistung. Außerdem brauchen sie keine Energie und wenig Pflege. Ob sie auch Arzneimittel-Reste herausfiltern können, wird derzeit untersucht.
Hohes Schilf, dichte Pflanzen, bei genauem Hinschauen ist dazwischen etwas Wasser zu erkennen – eigentlich sieht es aus wie große zugewachsene Teiche. Doch der Geruch ist zeitweise ungewöhnlich. Kein Wunder, denn die mit Schilf bewachsenen Becken in der kleinen unterfränkischen Gemeinde Theres (Landkreis Haßberge) bei Schweinfurt sind eine Kläranlage, genauer gesagt eine Pflanzenkläranlage.
Bei Pflanzenkläranlagen wird das Abwasser in Becken mit Kies und Sand geleitet, die mit Pflanzen wie Schilfrohr bepflanzt sind. Feststoffe wie Kot werden in der Regel in einer Vorklärung entfernt, zum Beispiel indem sie sich in einem sogenannten Absetzteich…mehr:
https://www.zfk.de/wasser-abwasser/abwasser/wie-pflanzenklaeranlagen-abwasser-filtern
