Recap: TEDx Wien 2019 – mit Video
5. Mai 2020
Was bringt die 4. Reinigungsstufe?
14. Mai 2020
Wasser 3.0 klärt auf: Mikroplastik in Kläranlagen
Kläranlagen stellen eine Eintragsquelle von Mikroplastik in die Umwelt dar. Diese Anlagen liefern somit das Anforderungsprofil, um neue Technologien für das Management der Mikroplastik-Verschmutzung zu entwickeln und zu implementieren.
Mehrere Studien untersuchten die Fähigkeit konventioneller und innovativer Klärtechnologien, Kunststoffe zu entfernen. Diese Studien zeigen, dass konventionelle Klärbehandlungen einen hohen Prozentsatz der in den Einflüssen vorhandenen Mikroplastik eliminieren (zwischen 90 und 98%), die meisten Mikroplastik-Partikel jedoch im Klärschlamm ankommen und über den landwirtschaftlichen Nutzpfad wieder ins Ökosystem gelangen. Eine Methode zur nachhaltigen Entfernung aus dem Ökosystem bzw. eine schlüssige Sekundärstoffverwertungsmethodik fehlt bisher. Es bleibt jedoch festzuhalten, dass Abwässer aufgrund des großen Abwasservolumens, das ständig abgeleitet wird, eine nicht wegdiskutierende Quelle von Mikroplastik in die aquatische Umwelt darstellen.
Viele Partikel tummeln sich aber auch nach der 3. Reinigungsstufe in der Wassersäule und verlassen ungehindert und ungefiltert die Kläranlagen. Auch das Problem der Akkumulation von Mikroplastik in den Klärschlamm birgt ein hohes Risiko, da durch diesen Prozess und die z. B. anschließende landwirtschaftliche Nutzung des Klärschlamms mit Mikroplastik-Kontamination eliminiert das Mikroplastik-Problem nicht, sondern sorgt nur für seine weitreichende Verteilung im Ökosystem.
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.
Was gibt es schon?
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 geht doch auch effizient und adaptierbar! Und wie?
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 lokalisierten Agglomerisationsfixierung der Mikroplastikpartikel in großen Agglomeraten, welche einfach aus dem Wasser entfernt werden können.
Bei Wasser 3.0 PE-X begegnen wir den gesamten Herausforderungen mit einem einfachen Trick und Kniff.
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
Literaturliste
Studien
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
Allgemeine Literaturstellen
1 https://analytik.news/fachartikel/2019/54.html
2 https://www.laborpraxis.vogel.de/mikroplastik-in-kommunalen-klaeranlagen-nachhaltig-entfernen-a-617719/
3 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.
4 Miklos D, Obermaier N, Jekel M (2016) Mikroplastik: Entwicklung eines Umweltbewertungskonzepts. Erste Überlegungen zur Relevanz von synthetischen Polymeren in der Umwelt. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau.
5 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.
