Projekt 34278/01

Entwicklung eines hochleistungsfähigen energieeffizienten Oxidationsreaktors zur Elimination von Mikroschadstoffen in Abwässern

Projektträger

PMK Kunststoffverarbeitung GmbH
Alemannenstr. 37
78187 Geisingen
Telefon: 0 7704 - 91 96 70

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In allen Teilen der Welt wächst trotz aller Anstrengungen zur umweltfreundlichen Produktion der Einsatz
von chemischen Substanzen. Bei der Produktion, der Nutzung und Entsorgung der Produkte gelangen
davon viele in das Abwasser, z. B. Arzneimittel, Farb- und Duftstoffe, Pflanzenschutzmittel und Partikel aus
Kosmetika und Haushaltsreinigern. Diese Stoffe können in vielen Fällen durch heutige Kläranlagen nicht
aus dem Wasser entfernt werden und gelangen daher kontinuierlich in Gewässer und damit auch in das
Trinkwasser. Zur Lösung dieser Problematik besteht das Ziel des Projektes darin, einen Oxidationsreaktor
zur Eliminierung von Mikroschadstoffen zu entwickeln, der durch einen speziellen Aufbau eine bisher unerreichte
Effizienz und dadurch ein niedriges Kostenniveau erzielen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Systemen soll ein neuartiger Reaktoraufbau entwickelt werden, der durch einen stark erhöhten Austausch
zwischen Reaktionsoberflächen und Abwasser sowie einer sehr effektiven Beleuchtungstechnik zu
einer sehr hohen Abbaueffizienz der Mikroschadstoffe führt. Auf diese Weise soll ein sehr breiter Einsatz
der Technologie bei Einleitern kritischer Abwässer, wie z. B. Krankenhäusern und Pharmaunternehmen,
aber perspektivisch auch in Klärwerken möglich wird. Mit dem neu zu entwickelnden System bestände
somit eine bisher nicht verfügbare Möglichkeit, die Einträge von Mikroschadstoffen ins Abwasser und in
Flüsse und Seen auf breiter Basis stark zu vermindern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden• Entwicklung und Konstruktion einer neuartigen, mit Kugeln gefüllten Reaktorzelle
• Beschichtung der fluidberührenden Teile mit einem photokatalytischem Katalysator
• Konstruktion und Bau einer Labortestanlage.
• Entwicklung eines UV-A LED Strahlers zur Bestrahlung der Reaktorzelle
• Untersuchung der Einflüsse von Volumenstrom und Bestrahlungsstärke auf dem Abbaugrad
• Messmethodik um Adsoptionsvorgänge getrennt zu erfassen
• Untersuchung der Einflüsse Wasserstoffperoxid-Dosierung auf dem Abbaugrad von Methylenblau
• Untersuchung der erforderlichen Reaktorlänge für 90 % Micropollutant (Diclofenac) Abbau
• Untersuchung des Konditionierungs- und Abbauverhaltens von Methylenblau, Diclofenac und
Carbamazepin im Durchlauf mit Modellabwasserproben in Anwesenheit von Wasserstoffperoxid


Ergebnisse und Diskussion

Die Labortestanlage wurde durch die PMK konstruiert und gebaut. Eine Reinigung mit Wasserstoffperoxid
wurde integriert. Die Messtechnik wurde mit einer Datenspeicherung eingebunden. Der Schaltschrank
wurde unter Berücksichtigung der Steuerung der LEDs aufgebaut und installiert. Die Darstellung der
Messwerte und Bedienung wird unterstützt durch einen integrierten Panel PC mit einem Android Betriebssystem sowie einem Messwertumformer.

Es wurden Reaktorzellen mit unterschiedlichen Kugelfüllungen hergestellt. Die Kugelgrößen variieren von 0,5 mm bis 1,5 mm. Ein Strahler mit UV LED und einer Wellenlänge von 365 nm wurde in Zusammenarbeit mit einem Unternehmen, welches sich auf die Entwicklung und Bau von Industriebeleuchtung auf LED-
Basis spezialisiert hat, entwickelt und gebaut. Eine Regelung der Leuchtstärke und deren gleichmäßige
Verteilung auf der Reaktoroberfläche wurden realisiert sowie die Temperaturentwicklung bei Volllast ermittelt.
Optimiert wurden die Bestrahlungsintensität und die Wasserstoffperoxiddosierung sowie die Wasserstoffperoxidreinigung
des Oxidationsreaktors. Bestätigt wurde die Stabilität der Katalysatorbeschichung und, durch periodische Reinigung mit Wasserstoffperoxid, die über Monate beständige Aktivität des Katalysators
im Oxidationsreaktor. Der Abbau von Medikamentenrückständen im Oxidationsreaktor wurde erfolgreich
nachgewiesen.

Die Firma PMK ist in Planungen zur Vermarktung des Systems, weiterhin wird ein vom Fraunhofer IGB
geführtes EU-Projekt im Rahmen des Green Deal beantragt. Hierbei soll der photokatalytische Laborreaktor
eine Basis der Arbeiten zur Realisierung großer Durchflussmengen darstellen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Fortführung und Internationalisierung der Entwicklungsaktivität:

PMK ist Projektpartner im Projektantrag „ppbREMOVE – towards a toxic free environment“, eingereicht im
Januar 2021 unter Green Deal 2020 Area 8 – Innovative, systemic zero-pollution solutions to protect health, environment and natural resources from persistent and mobile chemicals (LC-GD-8-1-2020).

Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts:

• Fraunhofer IGB Jahresberichtbeitrag 2018/2019 in deutscher und englischer Sprache
• Fraunhofer IGB Jahresberichtbeitrag 2019/2020 in deutscher und englischer Sprache
• Masterarbeit: Atzorn, M., Charakterisierung eines Oxidationsreaktors durch Abbauversuche mit Methylenblaulösung 2019, Hochschule RheinMain
• Masterarbeit: Lucio, D. E., Evaluation of a TiO2/UV-A/H2O2 Oxidation Reactor fort he Photodegradation
of Pharmaceuticals in Wastewater (Evaluierung der Photodegradation von Pharmaceutika in
Abwasser durch einen TiO2/UV-A/H2O2-Oxidationsreaktor)
• Darstellung des Oxidationsreaktors auf der Homepage der PMK
https://www.pmk-maier.de/de/uv-reaktoren/oxidation-mikroschadstoffe.html


Fazit

Durch das Projekt konnte eine neuartige photokatalytische Oxidationsanlage für den Abbau von organischen
Mikroschadstoffen entwickelt und mit dem Fraunhofer IGB erfolgreich validiert werden. Das hier
entwickelte Reaktorkonzept ist eine vielversprechende Alternative zu den kostenintensiven bisherigen
kommerziell zur Anwendung kommenden Techniken. Die nachgewiesene Katalysatorstabilität erlaubt
nun den kommerziellen Einsatz.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung wird in 2021/2022 angestrebt durch die Fraunhofer IGB.