Abtrennung von organischen Spurenstoffen mittels eines Adsorptions-Filtrations Kombinationsmoduls

Abstract

Im Bereich der Abwasserreinigung liegt das Augenmerk der Forschung auf der Entfernung organischer Spurenstoffe durch weitergehende Reinigungsschritte. Bei den organischen Spurenstoffen handelt es sich um pharmazeutische Wirkstoffe, Pestizide, Haushaltsund Industriechemikalien oder auch Kosmetika. Organische Spurenstoffe werden in der biologischen Abwasserreinigung nur unzureichend entfernt und können grundsätzlich mittels Membranfiltration, Oxidation und Adsorption weiter reduziert werden. Die Schwierigkeit liegt in den unterschiedlichen Eigenschaften der organischen Spurenstoffe und den Vorund Nachteilen der Abtrennverfahren. Ein Lösungsansatz, die vollständige Abtrennung zu gewehrleisten, ist die Kombination aus den unterschiedlichen Verfahren. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt in der Abtrennung von organischen Spurenstoffen mit der Kombination aus Mikrofiltration und Aktivkohleadsorption. Als Vertreter von organischen Spurenstoffen, die abwasserrelevant sind, wurde Diclofenac (DCF) gewählt. DCF wird nicht vollständig in den kommunalen Kläranlagen abgebaut und daher über Kläranlagenabläufe in den Wasserkreislauf zurückgeführt. Zusätzlich weist DCF eine mittel bis schlechte Adsorption an üblicher Weise eingesetzten Aktivkohlen auf und dient somit als Indikatorsubsatz für andere organische Spurenstoffe. Die Abtrennung von DCF wurde mittels eines Adsorptions- Filtrations-Modul umgesetzt. Das Modul besteht aus einer Mikrofiltrationseinheit, die einem Rohrmodul von Aktivkohle umgeben ist. Als Aktivkohle wurde eine granulierte Variante gewählt (Vorteil der Regernation). Der Rückhalt an DCF wurde in unterschiedlichen Matrices getestet. Das Modul erzielte in allen Medien Rückhalte an DCF von rund 95%. Der Durchfluss durch das Kombinationsmodul halbierte sich nach spätestens 20 Stunden und nach 50 Stunden war die Mikrofiltrationseinheit mit einer Deckschicht belegt. Eine Reinigung der Mikrofiltrationseinheit, bei 2 bar, zeigte keine Wirkung. Nur bei höheren Drücken (ab 3 bar) konnte der Durchfluss abermals gesteigert werden. Adsorptionsversuche in Schüttelkolben mit granulierter Aktivkohle (GAC) zeigten, dass DCF ab einer Konzentration von 400 mg/l Aktivkohle, zu 99% adsorbiert wird. Bei Zugabe von Huminsäuren (HS) wurden Entfernungen von 70%, bei einer Konzentration von 600 mg/l GAC, erreicht. Es wurden auch Untersuchungen mit pulverisierter Aktivkohle (PAC) durchgeführt. Zwei unterschiedliche Aktivkohlen (Epibon A und Hydraffin CC Plus) wurden getestet. Es stellte sich heraus, dass HS von Hydraffin Plus CC, bei einer Konzentration von 6 mg/l HS und 400 mg/l Hydraffin Plus CC vollständig adsorbiert werden können. In Zusammenhang mit der Entfernung von Resistenzgenen aus Abwasser wurden mit den beiden Aktivkohlen zudem Schüttelkolbenversuche zur Abtrennung von freier DNA durchgeführt. Mit Hydraffin CC Plus wurde eine Adsorption von freier DNA bis zu 80% erreicht. Zusätzlich wurde der Effekt der HS auf die Entfernung von DNA untersucht. Dabei zeigte sich, dass die DNA bereits von der HS adsorbiert wurde. Ab 20 mg/l HS bewirkt die Zugabe von Aktivkohle kaum eine Verbesserung in der Entfernung mehr.

Today's research focuses is the effects of organic trace elements on the environment. Organic trace elements are medicines, pesticides, industrial chemicals and cosmetics. In today's municipal waste water treatment plants, it is becoming more and more important to separate or degrade these organic trace substances. Organic trace substances can be removed by membrane filtration, oxidation and adsorption. The difficulty lies in the different properties of the organic trace substances and the advantages and disadvantages of the separation processes. One approach to providing complete separation is the combination of the different methods. The main focus of this work is the separation of organic trace substances with the combination of microfiltration and activated carbon. Diclofenac (DCF) was chosen as the organic trace substance. DCF is not completely degraded in municipal sewage treatment plants and therefore returned to the water cycle. In addition, DCF is the poorly adsorbable material in the midfield and thus serves as an indicator for other organic trace substances. The separation of diclofenac was reacted by means of an adsorption-filtration module. The module consists of a microfiltration unit and an activated charcoal unit. The activated carbon used was a granulated variant, since this has the advantage of regeneration. The retention of DCF was tested in different matrices. The module achieved retention of approximately 95% of diclofenac in all media. The flow was halved after 20 hours at the latest and after 50 hours, the microfiltration unit was covered with a topcoat. The microfiltration unit was cleaned at 2 bar, but this showed no effect. Only at higher pressures (from 3 bar) could the flow rate be increased. Adsorption experiments in granulated activated carbon (GAC) shake flasks showed that DCF was adsorbed to 99% from a concentration of 400 mg/l activated charcoal. When humic acids (HA) were added, distances of 70% were achieved at a concentration of 600 mg/L GAC. Investigations were also carried out with pulverized activated carbon (PAC). Two activated carbons were tested: Epibon A and Hydraffin CC Plus. It was found that humic acids of Hydraffin Plus CC can be completely adsorbed at a concentration of 6 mg/l HA and 400 mg/l Hydraffin Plus CC. With the two activated carbons, further shake flask experiments were carried out to separate free DNA. Adsorption of free DNA was up to 80% possible with Hydraffin CC Plus. In addition, the effect of humic acids was investigated. From 20 mg/l HA, the addition of activated charcoal barely causes an improvement in the distance, since the free DNA was already adsorbed by the humic acids.