Innovative Hochspannungsimpulstechnik und deren Anwendung zur Eliminierung anthropogener Spurenstoffe im Trink- und Abwasser „INNOPULS“

ProjektpartnerHochschule Lausitz (FH)
Prof. Dr. rer. nat. habil. J. Acker, S. Schönekerl
Adensis GmbH:
T. Müller, R. Junghanns
Projektzeitraum01.08.2011 - 31.07.2013
ProjektförderungAIF Projekt GmbH (Projektträger)
ZIM-Kooperationsprojekt mit den Förderkennzeichen KF208805MKL0
gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie

Projektbeschreibung:

Das Forschungsvorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, ein innovatives elektrochemisches Oxidationsverfahren zur erweiterten Aufbereitung von Abwasser zu entwickeln. Hiermit soll der Eintrag von refraktären Inhaltsstoffen aus Kläranlagen in die Umwelt deutlich gemindert werden. Darunter zählen u. a. endokrine Substanzen, Arzneimittel und Kosmetika, Diagnostika und Desinfektionsmittel, die durch den Prozess der erweiterten chemischen Oxidation wirksam in niedermolekulare Bestandteile transformiert und damit weitgehend wirkungslos werden.
Das Herzstück des Wasseraufbereitungssystems (Abb. 1) besteht aus einem Hochspannungsgenerator, mit dem hochfrequente Spannungsimpulse geformt werden. Die Impulse werden an ein in der Anlage befindliches Elektrodensystem mit dielektrischer Barrierenentladung übertragen.
Durch die Erzeugung hoher gepulster Spannungen im Bereich zwischen den Elektroden, werden durch die hohen Feldstärken in der Luft Ladungsträger beschleunigt und Ionisationsvorgänge ausgelöst. Diese bewirken die Bildung stark oxidativer Spezies, wie z. B. Ozon und •OH-Radikale.
Die Generierung eines Wasser-Luft-Gemisches oberhalb des Elektroden-systems führt zu einem effektiven Eintrag der reaktiven Spezies in die Wasserphase und begünstigt damit die schnelle Oxidation der Spurenstoffe.

Methoden:

Das Prozesswasser der Anlage wurde mit verschiedenen organischen Kontaminanten dotiert. Anschließend erfolgten Testreihen unter Variation der Anlagenparameter, um das Prozessverständnis für die chemisch-physikalische Einflussgrößen zu intensivieren und somit Möglichkeiten zur Verfahrens-optimierung zu finden.
Des Weiteren wurden Versuche zur Quantifizierung von Nebenprodukten (Nitrat-, Chlorat u. a.) durchgeführt.
Nach Abschluss der Vorversuche soll die Pilotanlage an einer Kläranlage getestet werden.

Ergebnisse:

Mithilfe des selektiv auf Ozon reagierenden Farbstoffes Indigokarmin und des Zusatzes von para-Chlorbenzoesäure zum Nachweis von •OH-Radikalen konnte der Eintrag der bedeutendsten reaktiven Spezies in das Prozesswasser quantifiziert werden.
Es zeigte sich, dass das durch eine Düse erzeugte Wasser-Luft-Gemisch deutlich bessere Oxidationsmitteleintragsraten als eine Lochplatten-Konfiguration zur Folge hat (Abb. 2).

Die in die Wasserphase eingetragenen Oxidationsmittel sind in der Lage, eine Vielzahl von organischen Substanzen in relativ kurzer Zeit auch in höheren Konzentrationsniveaus abzubauen. Beispielhaft sei das Abbauverhalten von fünf arzneimittelähnlichen homo- und heterozyklischen Aromaten in Abb. 3 dargestellt.

Anhand weiterer Untersuchungen mit Phenol konnte nachgewiesen werden, dass ein Teil der organischen Schadstoffe bis zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut werden kann. Im Falle von Phenol beträgt der Anteil des vollständigen Abbaus im Vergleich zum Gesamtabbau etwa 25 % (vgl. Abb. 4).

Neben den organischen Metaboliten wird auch Nitrat als Nebenprodukt infolge der Oxidation des Luftstickstoffs gebildet. Es werden aber nur ca. 0,2 mg/(l∙h) ins Reaktorwasser eingetragen.
Die Bildung von Chlorat aus Chlorid kann bei dieser Anlagenkonfiguration nicht nachgewiesen werden.

Ausblick:

Derzeit wird an der Optimierung der Anlage gearbeitet und weitere Tests mit abwasserrelevanten Spurenstoffen durchgeführt. Hiernach erfolgt der Einsatz des Systems an einer Kläranlage.

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