Ökologische und ökonomische Validierung eines modularen Verfahrens mittels TiO2-photokatalytischer Ozonierung zur Elimination von Antibiotikarückständen in Klinikabwässern
Projektdurchführung
TruTraTec GmbH
Sandbacher Weg 133
12526 Berlin
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Ziel dieses Projekts war es, die technische Funktionalität und wirtschaftliche Machbarkeit eines Industriereaktors mit neuartiger Konstruktion und Kombinationstechnologie zur Abwasserbehandlung unter realen Betriebsbedingungen zu demonstrieren und seine Leistungsfähigkeit durch iterative experimentelle Optimierung auf Basis gemessener Behandlungseffizienz- und Energiedaten zu entwickeln und zu validieren. Aufgrund der erheblichen Nebenwirkungen von Antibiotika und anderen Arzneimittelrückständen im Wasser zielte diese Studie darauf ab, die Entfernung einiger dieser Verbindungen zu untersuchen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Die Untersuchung war so aufgebaut, dass die Komplexität der Abwassermatrix schrittweise erhöht wurde
– von der Entfernung von Antibiotika und anderen Arzneimitteln aus Trinkwasser über eine synthetische Abwassermodellmatrix bis hin zu realem kommunalem Abwasser. Sie umfasste beide Betriebsarten, verschiedene Ozon-Dosierungsstufen und die Bewertung einer Vorozonisierung als Strategie für EinDurchlauf-Anwendungen.
Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse mit echtem Abwasser sind von größter praktischer Bedeutung. Im Recycling-Modus wurde eine nahezu vollständige Entfernung (>99%) aller wichtigen pharmazeutischen Zielsubstanzen – Candesartan, Carbamazepin, CBZ-10,11-diol, Sulfamethoxazol und Valsartan – innerhalb von 15–30
Minuten erreicht, während bei den resistentesten Verbindungen, Saccharin und Sucralose, bei hoher
Ozondosis innerhalb von 45–60 Minuten eine Entfernung von 95–100% erreicht wurde. Die Gesamtmineralisierung des DOC erreichte nach 60 Minuten unter UV-Bestrahlung in Kombination mit hohem Ozongehalt 76%, fast doppelt so viel wie bei reiner Ozonbehandlung, ohne Anzeichen einer Sättigung. Dies bestätigt, dass die Entfernung von Arzneimitteln und die Gesamtmineralisierung gleichzeitig in einer einzigen Prozesskonfiguration erfolgen können. Im Ein-Durchlauf-Modus erwies sich die 15-minütige Vorozonierung des Zulaufs als technische Voraussetzung: Die SP-Pre-O +UVKonfiguration erzielte eine Entfernung von über 99% aller nachweisbaren pharmazeutischen Zielsubstanzen sowie eine DOC-Reduktion von 19,3%.
Im Leitungswasser führten optimierte Recyclingbedingungen innerhalb von 15 Minuten zur vollständigen
Entfernung aller acht Zielverbindungen, was einer vierfachen Reduzierung gegenüber dem vorläufigen Ausgangswert entspricht. In synthetischem Abwasser schnitt die Kombination aus UV-Bestrahlung und geringer Ozonkonzentration bei Benzotriazol, Saccharin und Diatrizoat deutlich besser ab als eine hohe Ozonkonzentration allein. Dies zeigt, dass eine photokatalytische Intensivierung eine erhöhte Ozondosierung ersetzen kann, was sich positiv auf den Energieverbrauch auswirkt. Eine konsistente, verbindungsspezifische Reaktivitätshierarchie, bei der ozonreaktive Arzneimittel am schnellsten abgebaut wurden und künstliche Süßstoffe die anspruchsvollsten Ziele darstellten, wurde in allen Matrices bestätigt. Damit wurde nachgewiesen, das Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen die Abbaueffizienz unabhängig von der Matrixzusammensetzung bestimmen.
Auf Grundlage der Leistung dieses Reaktors betrugen die geschätzten Kosten pro Volumen aufbereiteten Wassers im Ein-Durschlaufbetrieb 0,22 EUR/m³, während sie im Recyclingbetrieb 19,8 EUR/m³ betrugen.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Diese Studie und ihre Ergebnisse werden derzeit für die Veröffentlichung in einer der wissenschaftlichen Zeitschriften von ISI redigiert.
Fazit
Der Photoreaktor entfernt pharmazeutische Schadstoffe effektiv. Durch optimierten Betrieb wurde eine nahezu vollständige Schadstoffentfernung und eine starke Reduzierung organischer Stoffe erreicht. Die Kombination von UV-Licht mit niedrigeren Ozondosen übertrifft die alleinige Anwendung hoher Ozonkonzentrationen und verbessert so die Effizienz. Zu den verbleibenden Herausforderungen zählen die Toxizität von Nebenprodukten, die unvollständige Entfernung resistenter Verbindungen und die Langzeitstabilität. Das System zeigt großes Potenzial für die fortschrittliche Abwasserbehandlung und ist bereit für Pilotversuche.