Projekt 28695/01

Entwicklung von regenerierbaren, katalytisch-adsorptiven keramischen MF/UF-Membranen zur effektiven Entfernung von Mikroschadstoffen und ähnlichen Chemikalien aus belasteten Abwässern dezentraler Anlagen

Projektträger

Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme Dresden (IKTS)
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon: 0351 2553-7793

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Abwasserreinigung hat einen Stand erreicht, der sicherstellt, dass Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor weitgehend aus den Abwässern entfernt werden. Neue Messtechniken offenbarten in den letzten Jahren eine andere problematische Stoffgruppe, die Mikroschadstoffe/Spurenstoffe. Es gebietet das Vorsorgeprinzip, den Eintrag dieser Substanzen in die Umwelt, in Nahrungsketten und den Wasserkreislauf möglichst zu unterbinden. Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich das Projekt mit der Entwicklung einer integrativen Verfahrenskombination aus Aktivkohleadsorption und Membranfiltration (MF/UF) in einem Bauteil. Die Neuentwicklung sollte realisiert werden, indem die eine adsorptiv wirksame Filtrationsschicht direkt in/auf einem keramischen Träger aufgebracht wurde. Die in dem Filterbauteil integrierte Aktivkohle sollte möglichst in-situ regenerierbar sein, das Gesamtsystem dazu einen gleichbleibend ho-hen Permeatfluss gewährleisten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZum einen sollte möglichst viel Kohlenstoff in die Membran eingebaut werden, um hohe Adsorptionskapazitäten zu erreichen, zum anderen durfte dadurch die Flussleitung der Membranen nicht über ein bestimmtes Maß abgesenkt werden. Der Kohlenstoff wurde einer Nachbehandlung unterzogen, um möglichst hohe Adsorptionskapazitäten für die abzutrennenden Schadstoffe zu erreichen. Die Arbeiten glie-derten sich in insgesamt sieben Arbeitspakete:
1. Prozesstechnische Berechnungen für Prozessdesign, Kalkulationen zum Reaktordesign,
2. Vertiefende theoretische Analyse, (Beschichtungsfähigkeit, Kosten, Standfestigkeit), Vorauswahl Material, Design, Wahl der Technologie für die Herstellung,
3. Entwicklung von Verfahren zur Aufbringung der Aktivkohleschichten auf MF/UF-Membranen,
4. Herstellung mehrerer Prototypen, Erprobung im Labormaßstab,
5. Konzeption, Bau, Inbetriebnahme und Test des Versuchsreaktors/Versuchsstandes im Labormaß-stab
6. Systematische Untersuchungen mit Teststand/Analysen und Membranprototypen,
7. Auswertung, Schlussfolgerungen full-scale-design, Machbarkeit und Kosten.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden im Rahmen der Projektlaufzeit rund 200 Membranadsorber synthetisiert, eine komplette Versuchsanlage aufgebaut, erprobt und betrieben sowie einige methodische Untersuchungen durchgeführt.

Hinsichtlich der im Kern angestrebten technischen Entwicklung von regenerierbaren, adsorptiven keramischen MF/UF-Membranen zur effektiven Entfernung von Mikroschadstoffen und ähnlichen Chemikalien aus belasteten Abwässern dezentraler Anlagen (Anorganischer Membranadsorber) ist das Projekt insofern als sehr positiv zu bewerten, als dass die im Vorfeld definierten Leistungsparameter des zu entwickelnden Membranadsorbers deutlich übertroffen wurden:

? Flächenbezogen wurden bis zu 73,7 g Kohlenstoff pro m² Membranfläche abgeschieden, dieses ent-spricht nahezu dem 10-fachen des zur Projektbeantragung gesetzten Zielwertes.
? Es wurden spezifische Wasserflüsse von bis zu etwa 990 l/(m²*hbar) (bei der Membran mit der höchsten infiltrierten Kohlenstoffmasse) erreicht, das entspricht in etwa dem 2,5-fachen des zur Antragstellung formulierten Zielwertes.
? Für Carbamazepin wurden mit den besten Membranadsorbersystemen Rückhaltewerte im einstelligen mg/l-Bereich ohne messbaren Durchbruch gezeigt. Für die in der Praxis auftretenden Konzentrationen im ng/l-Bereich bleibt vor diesem Hintergrund eine lange Standzeit des Membranadsorbers zu erwarten.
? Die Desinfektionsleistung der Adsorbermembran konnte durch Reduktion der koloniebildenden Einheiten an coliformen Bakterien von 3.100 auf 0 KBE/100 ml bestätigt werden.

Weiterer Entwicklung bedarf das verfahrenstechnische Systemkonzept der vorgeschalteten Behandlungsstufen:
zwar können mittels der Flotation bereits gute Abscheideraten für partikuläre Stoffe erreicht werden, jedoch bleibt zu untersuchen, ob weitere Reinigungsstufen z. B. für die Reduktion des gelösten CSB erforderlich sind, um die Adsorberkapazität des Systems möglichst lange aufrecht zu erhalten. Vor diesem Hintergrund stellt die aufgezeigte Wirtschaftlichkeitsrechnung eine Näherungsbetrachtung dar, die in Verbindung mit dem technologischen Zusatznutzen der Entwicklung gegenüber dem Stand der Technik in eine positive Richtung weist, jedoch im Rahmen weiterer Untersuchungen untersetzt werden muss. Ebenso sind die Aussagen zum Regenerationsverhalten des Membranadsorbersystems noch weiter zu erhärten - im Projekt konnte größtenteils nur qualitativ die grundsätzliche in-situ-Regenerierfähigkeit nachgewiesen werden - bzw. die Regenerierfähigkeit durch entsprechende Gestaltung des Membranaufbaus oder der peripheren Technologie weiter zu verbessern.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des FuE-Vorhabens werden durch Presse, Fachartikel und Messen öffentlich gemacht.


Fazit

Im Rahmen des Projektes wurde eine mit Aktivkohle beschichtete keramische Membran entwickelt, die die gewünschten Zielparameter hinsichtlich des eingelagerten Kohlenstoffes und des Permeatflusses übertrifft. Mit den entwickelten Membranadsorbersystemen steht nun eine unikale Technologieplattform zur Verfügung, auf die weitere konkret-apparative verfahrenstechnische Entwicklungen auf dem Gebiet der Umweltschutztechnologien aufgesetzt werden können.