Recap: TEDx Wien 2019 – mit Video
5. Mai 2020
Was bringt die 4. Reinigungsstufe?
14. Mai 2020
Kläranlagen – keine Endstation für Mikroplastik
Die verzweigten Wege des Wassers sind an unterschiedlichen Orten Eintragsquellen für Kunststoffpartikel in die Umwelt. Dazu gehören Überläufe der Kanalisation (Mischwassereinleitung), Rohwasser aus der Trennkanalisation, Restinhalte im gereinigten Abwasser und stoffliche Klärschlammverwertung. Wie sind das Problem Mikroplastik im Wasserkreislauf darstellt und warum Kläranlagen als Hotspots zu bewerten sind, das erfahren Sie in unserem Blog.
Kläranlagen sind ein Sammelbecken für Mikroplastik
Unsere kommunalen Kläranlagen stellen vielerorts ein
Sammelbecken für Mikroplastik aus häuslichem Abwasser
, industriellen Abwässern, Oberflächenabfluss, Regenwasser und Deponien dar. Sie sind zwar einerseits eine Barriere gegen die Verteilung von Mikroplastik in den Wasserkreislauf, andererseits aber auch eine bedeutende Quelle für die weitere Verteilung des Mikroplastiks.Der Grund liegt darin, dass sie täglich große Mengen an mehr oder wenig gereinigtem Abwasser in angrenzende Bäche, Flüsse oder direkt ins Meer einleiten und einige Mikroschadstofffrachten, darunter auch Mikroplastik, nicht überwacht werden. Es gibt für sie schlicht keine Grenzwerte. Das Problem wächst dann an, wenn bereits überlastete Kläranlagen mit Starkregenereignissen konfrontiert werden und das Abwasser ungereinigt abgelassen werden muss. Schätzungen aus Studien zeigen, dass jede Kläranlage jährlich zwischen 93 Millionen und 8,2 Milliarden Plastikpartikel in Flüsse und Meere transportiert. Die Wasserbelastung mit Partikeln reichte von 86 bis 714 pro Kubikmeter, mit Fasern von 98 bis 1479 pro Kubikmeter.
Weiterhin bestätigen erste wissenschaftliche Daten, dass nicht nur kommunale Kläranlagen eine Mikroplastikquelle darstellen, sondern auch industrielle Kläranlagen. Insbesondere aus der Polymerverarbeitenden / Kunststoffindustrie kann Mikroplastik in die Umwelt abgeben werden. Insgesamt besteht eine beträchtliche Wissenslücke über die Rolle von industriellen Kläranlagen in Bezug auf Umweltbelastungen mit Mikroplastik und Mikrofasern.
Welches Verhalten zeigt Mikroplastik?
Mikroplastik (=synthetisch hergestellte, organisch-chemische Makromoleküle) zeichnet sich dadurch aus, dass sie keine oder eine nur sehr langsame chemische Reaktion/Degradation eingehen. Es handelt sich weiterhin um polymere Verbindungen, denen oftmals eine Vielzahl an Additiven (z. B. Flammschutzmittel, UV-Adsorber, Weichmacher, etc.) zugesetzt werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern.
Durch die grundlegend verschiedenen physikochemischen Eigenschaften gegenüber gelösten organisch-chemischen oder anorganisch-chemischen Stressoren erfordert die Elimination von Mikrokunststoffen neue Techniken, da die Techniken der aktuellen vierten Reinigungsstufe und erst recht des Stands der Technik mit drei oder weniger Reinigungsstufen nicht ausreicht.
Mikroplastik (=synthetisch hergestellte, organisch-chemische Makromoleküle) zeichnet sich dadurch aus, dass sie keine oder eine nur sehr langsame chemische Reaktion/Degradation eingehen. Es handelt sich weiterhin um polymere Verbindungen, denen oftmals eine Vielzahl an Additiven (z. B. Flammschutzmittel, UV-Adsorber, Weichmacher, etc.) zugesetzt werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern.
Durch die grundlegend verschiedenen physikochemischen Eigenschaften gegenüber gelösten organisch-chemischen oder anorganisch-chemischen Stressoren erfordert die Elimination von Mikrokunststoffen neue Techniken, da die Techniken der aktuellen vierten Reinigungsstufe und erst recht des Stands der Technik mit drei oder weniger Reinigungsstufen nicht ausreicht.
Was gibt es schon?
Aktuell werden zur
Nanofiltration und Umkehrosmose können diese entfernen, sind aber bei einer „Dead-End-Filtration“ zu schnell mit einer Deckschicht aus weiteren Schmutzpartikeln belegt und benötigen häufige Reinigungs- und Spülintervalle. Die Methode der „Cross-Flow Filtration“ stellt eine Alternative, birgt jedoch eine höhere Gefahr der Ausspülung von zurückgehaltenen Stoffen als die „Dead End Methode“. Weiterer Faktor ist die bauliche bzw. räumliche Kapazität sowie Investitionskosten und Wartungskosten.
Nur durch Kombination von Membranfiltration und weiteren Verfahrensschritten werden ausreichende Lauf- und Eliminationsleistungen erhalten. Mittels Filtrationsverfahren wie z. B. Tuchfiltersysteme in der Kläranlage Oldenburg ist es möglich, 97% der Gesamtbelastung zu reduzieren (von 1131 auf 29 Mikroplastikpartikel und Fasern 1 / m³) und einen Rückhalt von Kunststoff-Partikel bis zu einer gewissen Größe (abhängig vom Porendurchmesser) zu gewährleisten. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Filter schnell verstopfen können, weshalb ein Rückspülen notwendig ist und somit der Reinigungsprozess unterbrochen werden muss. Durch mechanische Beanspruchung der Tuchfilter werden zusätzliche Mikroplastikpartikel/-fasern generiert, die eine sogenannte Sekundärquelle darstellen.
Aktuell werden zur
Entfernung von Mikroplastik
nur sehr kostenintensive und für den Abwasserbereich ineffiziente Verfahren wie Mikro-, Nano- und Ultrafiltration oder Umkehrosmoseverfahren eingesetzt. Diese können bisher eine geringfügige Partikelabscheidung gewährleisten, jedoch ist diese limitiert. Mikro- und Ultrafiltration können unter anderem keine Nähr- und Spurenstoffe wie Sulfate, Chloride, Nitrate, Pestizide oder Huminstoffe zurückhalten.Nanofiltration und Umkehrosmose können diese entfernen, sind aber bei einer „Dead-End-Filtration“ zu schnell mit einer Deckschicht aus weiteren Schmutzpartikeln belegt und benötigen häufige Reinigungs- und Spülintervalle. Die Methode der „Cross-Flow Filtration“ stellt eine Alternative, birgt jedoch eine höhere Gefahr der Ausspülung von zurückgehaltenen Stoffen als die „Dead End Methode“. Weiterer Faktor ist die bauliche bzw. räumliche Kapazität sowie Investitionskosten und Wartungskosten.
Nur durch Kombination von Membranfiltration und weiteren Verfahrensschritten werden ausreichende Lauf- und Eliminationsleistungen erhalten. Mittels Filtrationsverfahren wie z. B. Tuchfiltersysteme in der Kläranlage Oldenburg ist es möglich, 97% der Gesamtbelastung zu reduzieren (von 1131 auf 29 Mikroplastikpartikel und Fasern 1 / m³) und einen Rückhalt von Kunststoff-Partikel bis zu einer gewissen Größe (abhängig vom Porendurchmesser) zu gewährleisten. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Filter schnell verstopfen können, weshalb ein Rückspülen notwendig ist und somit der Reinigungsprozess unterbrochen werden muss. Durch mechanische Beanspruchung der Tuchfilter werden zusätzliche Mikroplastikpartikel/-fasern generiert, die eine sogenannte Sekundärquelle darstellen.
Mikroplastikelimination - effizient und adaptierbar - nicht nur auf Kläranlagen
Wasser 3.0 PE-X®, unser innovative Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus dem aquatischen Umfeld verbindet eine physikalisch-chemisch induzierte Agglomeration kombiniert mit einem neu entwickelten technologischen Implementierungsprozess.
Wenn ein Polymer in das aquatische Milieu gelangt (süßes oder salziges Wasser), führt dies normalerweise zu einer Quellung des Polymers, so dass sich die Form eines Objekts ändern kann sowie seine Festigkeit und die dielektrischen Eigenschaften verringert werden können, zusätzlich ändert sich die Dichte was zu einem Absinken oder auch Aufschwimmen der Polymere oder auch einem langsamen Treiben in der Wassersäule führt.
Diese Effekte werden innerhalb von Umweltprozessen stark von den äußeren Faktoren (z. B. Temperatur, Wasserqualität) beeinflusst. Die Wasseraufnahme kann auch zum Aufbrechen chemischer Bindungen im Polymermolekül führen, aber im Allgemeinen läuft dieser Prozess nur bei hohen Temperaturen und mit Polymeren ab, die durch Polykondensation mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit erhalten werden und in der Umwelt kaum beobachtet werden. Die meisten Mikroplastiken werden durch Kontakt mit dem Ökosystem als persistente oder inerte Stressfaktoren eingestuft.
Die Problematik bei der Entfernung von Mikroplastik ist jedoch nicht nur die geringe Größe, sondern auch die inerten Eigenschaften gegenüber den meisten Flockungsmitteln.
Wasser 3.0 PE-X® basiert auf der Nutzung gezielt entwickelter Organosilane, welche eine hohe Affinität zu Mikroplastik aufweisen und diese durch ihre hohe Reaktivität in Wasser unter der Bildung einer chemischen Einschlussverbindung verknüpfen. Dies führt zu einer lokalisiertenAgglomerisationsfixierung der
Mikroplastikpartikel in großen Agglomeraten
, welche einfach aus dem Wasser entfernt werden können.Das Verfahren beruht auf der starken Erhöhung der Partikelgröße unabhängig vom pH-Wert des aquatischen Milieus, die durch die Zugabe von hydroylsierbaren anorganisch-organisch substituierten Silizium-Derivaten hervorgerufen wird. Die resultierenden Mikroplastik-Aggregate auf Silizium-Basis (Partikelgröße nach Aggregation 2–3 cm) schwimmen auf und können leicht entfernt werden. Wasser 3.0 PE-X erwies sich bereits als übertragbar und reproduzierbar vom Labormaßstab auf den industriellen Maßstab und auf Salzwassermilieus
Weiterführende Literatur
1 Lares, Mirka; Ncibi, Mohamed Chaker; Sillanpää, Markus; Sillanpää, Mika (2018): Occurrence, identification and removal of microplastic particles and fibers in conventional activated sludge process and advanced MBR technology. In: Water Research 133, S. 236–246. DOI: 10.1016/j.watres.2018.01.049.
2 Michielssen, Marlies R.; Michielssen, Elien R.; Ni, Jonathan; Duhaime, Melissa B. (2016): Fate of microplastics and other small anthropogenic litter (SAL) in wastewater treatment plants depends on unit processes employed. In: Environ. Sci.: Water Res. Technol. 2 (6), S. 1064–1073. DOI: 10.1039/c6ew00207b.
3 Talvitie, Julia; Mikola, Anna; Koistinen, Arto; Setälä, Outi (2017a): Solutions to microplastic pollution - Removal of microplastics from wastewater effluent with advanced wastewater treatment technologies. In: Water Research 123, S. 401–407. DOI: 10.1016/j.watres.2017.07.005.
4 Talvitie, Julia; Mikola, Anna; Setälä, Outi; Heinonen, Mari; Koistinen, Arto (2017b): How well is microlitter purified from wastewater? - A detailed study on the stepwise removal of microlitter in a tertiary level wastewater treatment plant. In: Water Research 109, S. 164–172. DOI: 10.1016/j.watres.2016.11.046
5 Analytik-News
6 Labor-Praxis-Vogel
7 Herbort, A. F., Sturm, M. T., Ney, B., Hiller, C., & Schuhen, K. (2018). Entwicklung einer skalierbaren Reinigungsstufe – Wasser 3.0 – PE-X: Wie kann man reaktive und inerte anthropogene Stressoren nachhaltig und effizient sowie kostengünstig aus dem (Ab-)Wasser entfernen? WWT Wasserwirtschaft-Wassertechnik (3/18), 14-17.
8 Miklos D, Obermaier N, Jekel M (2016) Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts. Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau.
9 Rudloff, M., Herbort, A. F., Bimmler, P., Strozynska, M., Hiller, C., Ney, B., Schuhen, K. (Mai/Juni/August 2018). Quo vadis Aktivkohle? Wie muss eine vierte Reinigungsstufe beschaffen sein, um allen Verschmutzungen "Herr" werden zu können? Teil 1 bis 3. Laborpraxis Vogel.
1 Lares, Mirka; Ncibi, Mohamed Chaker; Sillanpää, Markus; Sillanpää, Mika (2018): Occurrence, identification and removal of microplastic particles and fibers in conventional activated sludge process and advanced MBR technology. In: Water Research 133, S. 236–246. DOI: 10.1016/j.watres.2018.01.049.
2 Michielssen, Marlies R.; Michielssen, Elien R.; Ni, Jonathan; Duhaime, Melissa B. (2016): Fate of microplastics and other small anthropogenic litter (SAL) in wastewater treatment plants depends on unit processes employed. In: Environ. Sci.: Water Res. Technol. 2 (6), S. 1064–1073. DOI: 10.1039/c6ew00207b.
3 Talvitie, Julia; Mikola, Anna; Koistinen, Arto; Setälä, Outi (2017a): Solutions to microplastic pollution - Removal of microplastics from wastewater effluent with advanced wastewater treatment technologies. In: Water Research 123, S. 401–407. DOI: 10.1016/j.watres.2017.07.005.
4 Talvitie, Julia; Mikola, Anna; Setälä, Outi; Heinonen, Mari; Koistinen, Arto (2017b): How well is microlitter purified from wastewater? - A detailed study on the stepwise removal of microlitter in a tertiary level wastewater treatment plant. In: Water Research 109, S. 164–172. DOI: 10.1016/j.watres.2016.11.046
5 Analytik-News
6 Labor-Praxis-Vogel
7 Herbort, A. F., Sturm, M. T., Ney, B., Hiller, C., & Schuhen, K. (2018). Entwicklung einer skalierbaren Reinigungsstufe – Wasser 3.0 – PE-X: Wie kann man reaktive und inerte anthropogene Stressoren nachhaltig und effizient sowie kostengünstig aus dem (Ab-)Wasser entfernen? WWT Wasserwirtschaft-Wassertechnik (3/18), 14-17.
8 Miklos D, Obermaier N, Jekel M (2016) Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts. Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau.
9 Rudloff, M., Herbort, A. F., Bimmler, P., Strozynska, M., Hiller, C., Ney, B., Schuhen, K. (Mai/Juni/August 2018). Quo vadis Aktivkohle? Wie muss eine vierte Reinigungsstufe beschaffen sein, um allen Verschmutzungen "Herr" werden zu können? Teil 1 bis 3. Laborpraxis Vogel.
