Sauberes Wasser ist der Grundstein für unsere Gesundheit und für eine gesunde Umwelt. Allerdings überschreiten Mikroschadstoffe in vielen Gewässern die gesetzlich vorgegebenen Umweltqualitätsnormen. Weltweit sind 50 Millionen organische Verbindungen im Wasser im Umlauf, von denen 5000 als potenziell umweltrelevant eingestuft werden. Mikroschadstoffe sind Verunreinigungen in Grund- und Trinkwasser, die sowohl durch die Entwässerung von Wohngebieten, bei denen häufig Arzneimittelrückstände oder Kosmetika mitgeführt werden, als auch durch industrielle Betriebe oder der Landwirtschaft verursacht werden.

Aktivkohle filtert organische Substanzen

Besonders die Verunreinigung mit „Mikroplastik“ aus Reinigungsmitteln hat in den letzten Jahren extrem zugenommen. Diese können auch von kleinen Lebewesen aufgenommen werden und gelangen so in die Nahrungskette. Obwohl sie nur in geringen Konzentrationen von Nano- bis wenigen Mikrogramm pro Liter vorliegen, sind Mikroschadstoffe oft toxisch. Sie sind außerdem schwer abbaubar. Um die Substanzen zu entfernen, werden in Kläranlagen häufig Aktivkohlefilter eingesetzt, die die organischen Stoffe an ihrer Oberfläche binden. Die Aktivkohle wird aus dem fossilen Rohstoff Steinkohle gewonnen, anschließend entweder entsorgt oder in zentralen Verbrennungsanlagen regeneriert. Die Regeneration ist allerdings sowohl logistisch als auch energetisch sehr aufwendig.

Kokusnuss-Schalen als nachwachsende Ressource

Vor diesem Hintergrund möchte das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT unter der Projektleitung des Wupperverbands gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung im Verbundprojekt „ZeroTrace“ Aktivkohlen entwickeln, die aus regenerativen Rohstoffen wie Kokosnussschalen hergestellt werden. Mit einer Laufzeit von drei Jahren ist das Projekt am 1. Februar gestartet und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Außerdem sollen im Rahmen von „ZeroTrace“ auch die Regenerationsverfahren für kommunale und industrielle Kläranlagen optimiert werden. Ilka Gehrke, Abteilungsleiterin Photonik und Umwelt bei Fraunhofer UMSICHT, fasst die Pläne zusammen: „Die Aktivkohle soll effizient regenerierbar sein, sowie möglichst viele Arten von Mikroschadstoffen entfernen.“

Effiziente Regeneration der Aktivkohle

Auf dem Weg dorthin steht zunächst die Entwicklung von Aktivkohle als Komposit – also als Verbundstoff – an. In einem nächsten Schritt wird dieses dann von der Bundesanstalt für Materialprüfung und -forschung modifiziert, bevor es zuletzt von EVERS Wassertechnik und Anthrazitveredlung für die spätere Anwendung konfektioniert wird.

Gemeinsam mit dem Wasseraufbereitungsunternehmen EnviroChemie wird das Fraunhofer UMSICHT außerdem ein Verfahren auf Basis von „Electric Field Swing Adsorption“ (EFSA) entwickeln, mit dem sich Aktivkohlen vor Ort regenerieren lassen, statt sie aufwendig zu einer zentralen Verbrennungsanlage fahren zu müssen.

Um die Wärme zum Ausbrennen der Aktivkohle zukünftig elektrisch erzeugen zu können, werden den Aktivkohlen elektrisch leitende Materialien wie Graphit zugegeben. Denn je elektrisch leitfähiger die Aktivkohle ist, desto besser erwärmt sie sich und desto vollständiger werden die Mikroschadstoffe in der Regeneration wieder abgelöst. Der gesamte Prozess soll schließlich von EnviroChemie anlagentechnisch umgesetzt und auf zwei Kläranlagen des Wupperverbands unter realen Bedingungen demonstriert werden.

Ressourcen schonen für die Zukunft

Auch wenn sich die beteiligten Fachleute einig sind, dass Aktivkohle langfristig in der Mikroschadstoff-Eliminierung nicht ersetzbar ist, so ist es doch um so wichtiger, dass der Anteil an Steinkohle minimiert, und seine Regeneration effizienter wird.

Da in Deutschland voraussichtlich eine vierte Klärstufe eingeführt werden soll, müssen in den nächsten Jahren ohnehin weit über hundert Kläranlagen und Wasserwerke mit einer Adsorptionsstufe ausgerüstet werden. „Wir erhoffen uns vom Projekt einen Erkenntnisgewinn zur Herstellung von Komposit-Aktivkohle aus nachwachsenden Rohstoffen“, so Gehrke.

jmr