Hybrid processes utilizing powdered activated carbon adsorption and filtration for the removal of micropollutants and efficient water management

Löwenberg, Jonas; Weßling, Matthias (Thesis advisor); Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor); Wintgens, Thomas (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Die kontinuierliche Zunahme der Weltbevölkerung und der damit verbundenen Aktivitäten führt zu einem steigenden Wasserverbrauch weltweit. Die daraus entstehenden starken lokalen Ungleichgewichte zwischen Wasserbedarf und Frischwasserverfügbarkeit sowie die damit in Zusammenhang stehende Beeinträchtigung der Frischwasserqualität führt zu immer höheren Anforderungen an die Wasseraufbereitung und die eingesetzten Prozesse. Ein weiterer Treiber für die Entwicklung neuer und die Weiterentwicklung bestehender Aufbereitungsprozesse sind die gesetzlichen Anforderungen an die Abwasserbehandlung und Trinkwasseraufbereitung, die sich stetig neuen Herausforderungen stellen müssen. In der vorliegenden Arbeit wird die Prozesskombination aus Pulveraktivkohleadsorption (PAK) in Kombination mit Filtrationsprozessen zur Erfüllung strengerer Gesetzesanforderungen zur Entfernung organischer Mikroverunreinigungen sowie zur Reduktion lokaler Wasserknappheit in Europa untersucht. Mit dem Inkrafttreten des neuen Schweizer Gewässerschutzgesetzes und der Gewässerschutzverordnung wird die Entfernung von organischen Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser gefordert. Der Einsatz von PAK Adsorption in Kombination mit Ultrafiltration (UF) sowie in Kombination mit Tiefenfiltration wurde in zwei separaten Studien zur Entfernung von Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser untersucht. Dabei zeigte sich die generelle Anwendbarkeit von PAK/UF bei hoher Permeatqualität und vollständigem PAK Rückhalt sowie stabilem Betrieb über mehr als einem Jahr. Die Raumfiltration zeigte einen ausreichenden PAK Rückhalt, der im Vergleich zum Membranverfahren von der Konditionierung der PAK abhängig war. Es konnte gezeigt werden, dass die Raumfiltration bei geringeren Kontaktzeiten zu einer effizienten Ausnutzung der PAK durch Einlagerung derselben im Filterbett führt, was einem deutlichen Vorteil anderen Separationsprozessen gegenüber entspricht. In einer weiteren Studie wurde der Einsatz von PAK/UF als möglicher Vorbehandlungsschritt für eine Entsalzung durch Umkehrosmose zur Wiederverwendung von Industrieabwasser untersucht. Dabei zeigten sich spezifische Vorteile des PAK/UF Prozesses im Vergleich zu konventionellen Vorbehandlungsverfahren in Hinblick auf die Entfernung von organischen Foulingstoffen. Durch den Einsatz der Prozesskombination konnte ein verbesserter Betrieb der Umkehrosmose bei geringerem Energiebedarf gezeigt werden. Die Handhabung der beladenen PAK, die im Rückspülwasser der UF aus dem Prozess ausgetragen wurde, und ökonomische Gesichtspunkte verhindern jedoch derzeit die großtechnische Anwendung im spezifischen Anwendungsfall. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen erweitern die Kenntnisse und Erfahrungen mit der Prozesskombination. Speziell konnten wichtige Erkenntnisse über das Zusammenwirken von Adsorptions- und Filtrationsprozessen aufgezeigt werden, die für die technische Realisierung der Prozesskombination, auch in anderen Anwendungsbereichen, bedeutsam sind und diese vorantreiben.

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