Technik für die Umwelt – Schadstoffreduktion bei Wasser
Nicht nur sauber, sondern rein
Mikroben und andere Schadstoffe im Wasser können Mensch und Umwelt krank machen. Siemens-Forscher entwickeln neue Verfahren, um dies zu verhindern.
Kochsalz genügt: Es wird in dieser Anlage direkt vor Ort in Natriumhypochlorit umgewandelt, das dann zur Desinfektion eingesetzt werden kann – etwa für Trinkwasser, Brauchwasser oder Schwimmbecken
Maryland, Pennsylvania, Virginia und Washington D.C. haben eine Mammutaufgabe vor sich: Bis 2010 wollen die US-Ostküsten-Staaten 50 000 t weniger Stickstoff und Phosphor pro Jahr in die Chesapeake Bay leiten. Diese Nährstoffe werden aus Städten, von Äckern und aus Kläranlagen ins Wasser gespült und verursachen, meist im Frühjahr, ausgedehnte Algenblüten. Nach deren Absterben verzehren Bakterien das tote Plankton und auch den Sauerstoff. Die Folge sind ausgedehnte Todeszonen in großen Teilen des 300 km langen Meeresarms.
Die vier Staaten haben daher strenge Grenzwerte eingeführt. Ab 2010 darf 1 l geklärtes Abwasser im Jahresdurchschnitt nur 3 mg Stickstoff und 0,3 mg Phosphor enthalten. "Beim Stickstoff liegt dieser Wert nahe dem, was man mit biologischen Verfahren erreichen kann, beim Phosphor sogar darunter", berichtet James Scott von Siemens Water Technologies in Salt Lake City, der an der Chesapeake Bay aufwuchs. In Maryland werden derzeit die 66 größten kommunalen Kläranlagen umgebaut – viele davon mit Siemens-Technik. "Dadurch kann Maryland bereits mehr als ein Drittel der Einsparungen erreichen, zu denen es sich verpflichtet hat", berichtet Susan McCorvey von Water Technologies. Manche ältere Anlagen müssen komplett erneuert werden, bei modernen reichen meist zusätzliche Filter. "Eingesetzt werden bewährte Technologien, die allerdings verfeinert werden müssen", sagt Scott.
Stickstoff und Phosphor gelangen mit Essensresten, Reinigungsmitteln und menschlichen Ausscheidungen ins Abwasser. In der biologischen Stufe einer Kläranlage wandeln aerobe – Sauerstoff liebende – Bakterien die Substanzen in anorganisches Nitrat und Phosphat um. Phosphat lässt sich mit Hilfe von Metallsalzen ausfällen oder mit dem Nitrat durch einen biologischen Prozess auf 1 mg/l reduzieren. "Nitrat wiederum können denitrifizierende Bakterien, die unter anaeroben Bedingungen leben, in gasförmigen Stickstoff umwandeln", sagt McCorvey.
Testanlage: Moleküle bakteriengerecht zerlegen
Beispiel Fruitland in Maryland. Die Kläranlage dieser Stadt war bis 2003 gar nicht dafür ausgelegt, Nährstoffe zu entfernen. Im neuen Omniflo-Reaktor von Siemens durchläuft das Abwasser im gleichen Tank verschiedene Stufen des Klärprozesses. Studien zeigen, dass sich die Denitrifizierung über die Dauer der aeroben und anaeroben Phasen hervorragend steuern lässt. In Fruitland konnte so der Stickstoffgehalt um über 80 % auf 3 mg/l gesenkt werden. Ein anderes Beispiel ist das Städtchen Aberdeen. Hier fließt das geklärte Abwasser durch ein bewegliches Bett aus Sand, um Schwebstoffe zu entfernen. Fügt man Methanol hinzu, können nitratreduzierende Bakterien im Sand wachsen. Durch eine ausgeklügelte Steuerung, die die Verweildauer des Abwassers, die Reinigungszyklen und die Zugabe des Bakterienfutters Methanol regelt, gelang es Siemens-Ingenieuren, einen Nitratabbau bis zu 98 Prozent zu erreichen. "Auch die Phosphat-Fällung ist in diesem so genannten Astrasand-Filter möglich", erklärt McCorvey.
Moleküle zerlegen. Alle organischen Stoffe können Mikroben jedoch nicht knacken. Manche zehren so viel Sauerstoff auf, dass aerobe Bakterien ersticken. Das Team von Dr. Manfred Waidhas bei Corporate Technology (CT) in Erlangen hat nun ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, das biologisch bislang nicht abbaubare Moleküle in mundgerechte Stücke zerlegt, die Bakterien dann in Kohlendioxid und Wasser aufspalten: Durch Elektrolyse entstehen im Wasser Hydroxyl-Radikale, sehr reaktive Teilchen aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom.
Derzeit wird das Verfahren in einer deutschen Papierfabrik getestet. Eine Membranfilteranlage entfernt dort täglich 600 m³ Konzentrat, das den biologisch nur langsam abbaubaren Holzbestandteil Lignin enthält. Bislang wird dieses Konzentrat mit Kalk oder einem Aluminiumsalz ausgefällt und der entstehende Schlamm thermisch entsorgt. "Dies verlagert das Problem allerdings nur vom Wasser aufs Land", betont Waidhas. "Besser ist es, die Schadstoffe endgültig zu zerstören." Sein Team testet nun, wie sie die Lignin-Moleküle mit möglichst geringem Energieaufwand genau so weit zersetzen können, dass sie für Bakterien genießbar werden. "Unsere Methode ist effizienter als die Alternative, nämlich die Zugabe von Ozon", sagt er.
Radikale in Aktion. Für Substanzen mit hohem Sauerstoffbedarf, Metallverbindungen oder Farbstoffe eignet sich die Elektrochemie gut, doch einige organische Gefahrstoffe widerstehen dem Verfahren: etwa Öle sowie bestimmte Pestizide, Hormone oder Arzneimittelrückstände. Ein Plasma-Verfahren, das Ingenieure um Dr. Werner Hartmann von CT in Erlangen entwickelten, bekommt diese Stoffe klein (siehe Elemente des Lebens – Trends in Pictures of the Future, Frühjahr 2005). Dabei wird das Wasser Hochspannungsentladungen ausgesetzt, wobei Radikale entstehen, die auch stabilste Bindungen knacken. Einsatzgebiete sieht Hartmann vor allem bei Industrieabwässern und kleinen Konzentrationen besonders kritischer Gefahrstoffe.
Astrasand-Filter: dank Bakterien nitratarmes Wasser
Diese physikalischen Verfahren können den Einsatz von Chemikalien überflüssig machen, doch bei der Trinkwasseraufbereitung wird die kostengünstige Desinfektion mit Chlorgas wohl noch lange Standard bleiben. "Zahlreiche Vorschriften schrecken allerdings die Wasserwerke in den USA zunehmend davon ab, Chlorgas einzusetzen, da Lagerung und Transport nicht ungefährlich sind", sagt Alberto Garibi von Water Technologies in Miami. Als Ersatz werden oft Natriumhypochlorit-Lösungen verwendet, die die gleiche Wirkung haben, jedoch ohne die Gefahr, dass giftiges Gas austritt. "Natriumhypochlorit ist aber zwei- bis dreimal teurer als Chlor", berichtet Garibi. "Auch muss es wegen seiner hohen Konzentration als Gefahrstoff behandelt werden und es zersetzt sich, wenn es länger gelagert wird."
Mit dem neuen Osec-B-Pak-Verfahren von Water Technologies kann Hypochlorit je nach Bedarf direkt vor Ort hergestellt werden. Das nahezu wartungsfreie, kompakte System besitzt eine intelligente Steuerung für einen automatischen Betrieb. "Dafür braucht man nur Kochsalz", sagt Garibi. Per Elektrolyse wird Salzsole in Natriumhypochlorit und Wasserstoffgas umgewandelt. Um den Wasserstoff sicher zu entfernen, wird er verdünnt und in die Atmosphäre verfrachtet. "Zwar ließe er sich auch in einer Brennstoffzelle nutzen", sagt Garibi, "doch noch lohnt es sich nicht, das Gas zurückzugewinnen."
                                                                                                                        Ute Kehse
