Afvalwaterinstallaties gebruiken een verscheidenheid aan effectieve en gevestigde processen om rioolwater en afvalwater te behandelen. tot nu toe, echter, er is geen ideaal, uniform erkende methode voor het verwijderen van sporenstoffen. Onderzoekers van het Fraun-hofer Instituut voor Milieu, Veiligheid en energietechnologie UMSIHT probeert hier verandering in te brengen. In een project dat bekend staat als ZeroTrace, ze streven naar een geïntegreerde aanpak die hun eigen actieve koolcomposiet combineert met een nieuw ontwikkeld elektrisch regeneratieproces. Het resultaat is een methode die efficiëntie belooft, duurzaamheid en levensvatbaarheid op grote schaal.

Als mensen in Duitsland de kraan opendraaien, ze kunnen er meestal zeker van zijn dat het water dat eruit stroomt meer dan geschikt is om te drinken. Dit komt voornamelijk door het grote aantal zuiveringsinstallaties, die een verscheidenheid aan zeer effectieve mechanische, biologische en chemische methoden om ons afvalwater te ontdoen van onzuiverheden. Maar sporenstoffen zoals medicijnresten, huishoudchemicaliën en de contrastmiddelen die bij röntgenbeeldvorming worden gebruikt, zijn moeilijker te verwijderen. Helaas, deze kunnen een ernstig gevaar vormen voor zowel mens als dier, zelfs in zeer lage concentraties.

Om dit probleem aan te pakken, steeds meer installaties worden nu achteraf uitgerust met een extra behandelingsniveau, ontworpen om dergelijke sporenstoffen te verwijderen. Dit omvat het gebruik van chemisch-oxidatieve processen, die problematische bijproducten kunnen creëren. Over het algemeen, echter, de voorkeursmethode is actieve kool. Actieve kool heeft een extreem poreuze structuur, waardoor het een enorm oppervlak heeft, binnen en buiten. Vier gram actieve kool heeft een oppervlakte ter grootte van een voetbalveld. Het is in staat om andere stoffen te adsorberen - afhankelijk van hun geladen toestand - zoals een spons die een vloeistof opzuigt.

Meer aandacht voor duurzaamheid

In het algemeen, actieve kool biedt een effectieve manier om sporenstoffen uit afvalwater te verwijderen. In praktijk, echter, er is vaak een belangrijk nadeel. Ilka Gehrke is hoofd van de afdeling milieu en gebruik van hulpbronnen bij het Fraunhofer Institute for Environmental, Veiligheids- en energietechniek UMSIHT in Oberhausen. Ze legt uit:"Momenteel de meeste processen gebruiken actieve kool in poedervorm. Zodra dit zoveel mogelijk materiaal heeft geadsorbeerd, het wordt verwijderd door verbranding. Dat is natuurlijk een groot probleem in termen van duurzaamheid, vooral omdat actieve kool vaak wordt gemaakt van een niet-hernieuwbare grondstof, namelijk standaard zwarte steenkool."

Onderzoekers van Fraunhofer UMSICHT hebben daarom samengewerkt met een aantal industriële partners aan een gezamenlijk project dat wordt gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek. ZeroTrace heeft als doel het gebruik van actieve kool te optimaliseren voor de verwijdering van sporenstoffen uit afvalwater. Het onderzoeksteam streeft naar een geïntegreerde aanpak die ook een onderzoek naar innovatiebeheer en het behoud van hulpbronnen omvat. Vanaf het begin, onderzoekers hebben daarom rekening kunnen houden met de verschillende factoren die innovatie op dit gebied stimuleren of remmen.

Gehrke en haar team onderzoeken het gebruik van actieve kool in korrelvorm, gemaakt van hernieuwbare materialen zoals hout of kokosnootschillen. In tegenstelling tot actieve kool in poedervorm, deze korrels kunnen gereactiveerd worden door behandeling bij zeer hoge temperatuur. Dit verwijdert de geadsorbeerde stoffen, waardoor de verbruikte koolstof opnieuw wordt geactiveerd voor hergebruik. Momenteel, echter, deze verbruikte koolstof moet vaak over lange afstanden worden vervoerd voor reactivering. Bovendien, wanneer de stukjes koolstof worden gemengd in een wervelbed, er is een hoge slijtage, leidt tot een aanzienlijke uitputting van het materiaal.

Een geschikte regeneratiemethode leidde tot het juiste startproduct

De onderzoekers richtten zich daarom op het ontwikkelen van een regeneratieproces dat direct bij afvalwaterzuiveringsinstallaties kan worden uitgevoerd. "Het proces maakt gebruik van een fysiek effect van elektrische velden, "Gehrke legt uit. "Het is een idee dat anderen al hebben nagestreefd met betrekking tot gaszuivering. Voor ons project, we hebben veel van de principes kunnen omzetten naar een liquide scenario. Vroeger, elektrische processen waren erg duur, dus het onderzoek werd uiteindelijk opgeschort. Maar nu gaan we steeds meer gebruik kunnen maken van de overtollige stroom uit hernieuwbare bronnen. In de toekomst, we kunnen verwachten dat goedkope stroom beschikbaar komt in tijden van piekproductie."

Het idee achter het nieuwe proces is gebaseerd op een fenomeen dat bekend staat als electric field swing adsorptie (EFSA):de verbruikte koolstof wordt elektrisch verwarmd tot het punt waarop de geadsorbeerde verontreinigende stoffen worden gedesorbeerd of verbrand. Om dit te laten werken, zowel de actieve kool als de reactor moeten aan bepaalde specificaties voldoen. De actieve kool moet een voldoende hoge elektrische geleidbaarheid hebben, zodat het de benodigde hoeveelheid stroom geleidt. Tegelijkertijd, echter, het moet ook een voldoende hoge elektrische weerstand hebben, zodat het opwarmt tot de vereiste temperatuur terwijl de stroom er doorheen stroomt. Voor dit doeleinde, Gehrke en haar team ontwikkelden hun eigen actieve koolcomposiet. Het basismateriaal is houtskoolpoeder, dat is vermengd met grafiet. Dit geeft het een elektrische geleidbaarheid die drie keer zo hoog is als die van normale actieve kool, zonder enige vermindering van zijn adsorptie-eigenschappen. Wat de reactor betreft, de grootste moeilijkheid was om het zo te construeren dat het bestand was tegen temperaturen tot 650 graden Celsius. Het team van Gehrke heeft gekozen voor een proces van continue regeneratie:"Het idee is om continu kleine hoeveelheden afgewerkte koolstof uit de bezinktank te verwijderen door middel van een transportband, om dit te regenereren en vervolgens terug te voeren in de tank. Hiervoor is slechts een relatief kleine reactor nodig, omdat het nooit meer dan een fractie van de totale verbruikte koolstof tegelijk hoeft te verwerken, en de regeneratie zelf duurt maar een paar minuten. En, aangezien de verbruikte koolstof niet in de reactor beweegt, er is minimale slijtage, dus we schatten in dat we het maar met maximaal 10 procent nieuwe actieve kool per cyclus hoeven aan te vullen."

Veelbelovende resultaten met groot potentieel

Het gebruik van dit actieve koolcomposiet is getest in de afvalwaterzuiveringsinstallatie van industriële partner Wuppertal-Buchenhofen, waar werd aangetoond dat het met succes sporenstoffen adsorbeert. Om het regeneratieproces te testen, de onderzoekers zetten een prototypereactor op een locatie verwijderd van de zuiveringsinstallatie. Deze reactor, met een inhoud van 40 tot 50 liter, leverde ook bemoedigende resultaten op. Aan het einde van een bijna 3-jarige projectfase, Gehrke heeft er dan ook alle vertrouwen in:"Onze tests hebben aangetoond dat ons proces niet alleen hulpbronnen bespaart, maar ook economisch en concurrerend is." Momenteel, de partners bespreken mogelijke vervolgprojecten met grootschalige pilots op locatie bij de afvalwaterzuivering.