Avloppsanläggningar använder en mängd effektiva och etablerade processer för att behandla avloppsvatten och avloppsvatten. Hittills, dock, det finns inget ideal, enhetligt erkänd metod för att avlägsna spårämnen. Forskare från Fraun-hofer Institute for Environmental, Säkerhet och energiteknik UMSICHT försöker förändra detta. I ett projekt känt som ZeroTrace, de följer ett integrerat tillvägagångssätt som kombinerar sin egen aktiva kolkomposit med en nyutvecklad elektrisk regenereringsprocess. Resultatet är en metod som lovar effektivitet, hållbarhet och storskalig lönsamhet.

När folk i Tyskland slår på kranen, de kan vanligtvis vara säkra på att vattnet som rinner ut är mer än lämpligt att dricka. Detta beror huvudsakligen på det stora antalet reningsverk, som använder en mängd mycket effektiva mekaniska, biologiska och kemiska metoder för att befria vårt avloppsvatten från föroreningar. Ändå spårämnen som läkemedelsrester, hushållskemikalier och kontrastmedel som används vid röntgenbilder är svårare att ta bort. Tyvärr, dessa kan utgöra en allvarlig fara för både människor och djur, även i mycket låga koncentrationer.

För att hantera detta problem, fler och fler anläggningar eftermonteras nu med en ytterligare behandlingsnivå, utformade för att avlägsna sådana spårämnen. Detta inkluderar användningen av kemisk-oxidativa processer, vilket kan skapa problematiska biprodukter. I stort sett, dock, den valda metoden är aktivt kol. Aktivt kol har en extremt porös struktur, vilket ger den en enorm yta, ut och in. Fyra gram aktivt kol har en yta lika stor som en fotbollsplan. Det kan adsorbera andra ämnen - enligt deras laddade tillstånd - som en svamp som suger upp en vätska.

Ökat fokus på hållbarhet

Generellt, aktivt kol är ett effektivt sätt att ta bort spårämnen från avloppsvattnet. I praktiken, dock, det finns ofta en viktig nackdel. Ilka Gehrke är chef för avdelningen för miljö och resursanvändning vid Fraunhofer Institute for Environmental, Säkerhet och energiteknik UMSICHT i Oberhausen. Hon förklarar:"För närvarande, de flesta processer använder aktivt kol i pulverform. När detta har adsorberat så mycket material som möjligt, den kasseras genom förbränning. Nu är det uppenbarligen ett stort problem i hållbarhetstermer, särskilt eftersom aktivt kol ofta tillverkas av en icke förnybar råvara — nämligen, standard svart kol."

Forskare från Fraunhofer UMSICHT har därför slagit sig ihop med ett antal industriella partners i ett gemensamt projekt finansierat av det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning. ZeroTrace syftar till att optimera användningen av aktivt kol för att ta bort spårämnen från avloppsvatten. Forskargruppen bedriver ett integrerat tillvägagångssätt som också inkluderar en utredning om innovationsförvaltning och resursbevarande. Från allra första början, forskare har därför kunnat ta hänsyn till de olika faktorer som driver eller hämmar innovation inom detta område.

Gehrke och hennes team undersöker användningen av granulärt aktivt kol tillverkat av förnybara material som trä eller kokosnötskal. Till skillnad från aktivt kol i pulverform, dessa granuler kan återaktiveras genom behandling vid en mycket hög temperatur. Detta tar bort de adsorberade ämnena, varigenom det förbrukade kolet återaktiveras för återanvändning. För närvarande, dock, Detta förbrukade kol måste ofta transporteras över långa avstånd för reaktivering. Dessutom, när kolbitarna blandas ihop i en fluidiserad bädd, det finns hög nötning, leder till en betydande utarmning av material.

En lämplig regenereringsmetod ledde till rätt startprodukt

Forskarna fokuserade därför på att utveckla en regenereringsprocess som kunde genomföras direkt vid avloppsreningsverk. "Processen använder en fysisk effekt av elektriska fält, " Gehrke förklarar. "Det är en idé som andra redan har eftersträvat i förhållande till gasrening. För vårt projekt, vi kunde överföra många av principerna till ett vätskebaserat scenario. Då, elektriska processer var mycket dyra, så forskningen hamnade på hyllan. Men nu ska vi i allt högre grad kunna utnyttja överskottskraften från förnybara källor. I framtiden, vi kan förvänta oss att se billig kraft bli tillgänglig vid tider av toppproduktion."

Tanken bakom den nya processen är baserad på ett fenomen som kallas elektrisk fältsvingadsorption (EFSA):det använda kolet värms upp elektriskt till den punkt där de adsorberade föroreningarna antingen desorberas eller förbränns. För att detta ska fungera, både det aktiva kolet och reaktorn måste uppfylla vissa specifikationer. Det aktiva kolet måste ha en tillräckligt hög elektrisk ledningsförmåga, så att den leder den erforderliga mängden kraft. På samma gång, dock, den måste också ha ett tillräckligt högt elektriskt motstånd, så att den värms upp till önskad temperatur när strömmen flyter genom den. För det här syftet, Gehrke och hennes team utvecklade sin alldeles egna komposit av aktivt kol. Basmaterialet är pulveriserat träkol, som blandas med grafit. Detta ger den en elektrisk ledningsförmåga som är tre gånger högre än normalt aktivt kol, utan någon minskning av dess adsorptionsegenskaper. När det gäller reaktorn, den största svårigheten var att konstruera den på ett sådant sätt att den kunde motstå temperaturer på upp till 650 grader Celsius. Gehrkes team har valt en process med kontinuerlig regenerering:"Tanken är att kontinuerligt ta bort små mängder använt kol från sedimenteringstanken med hjälp av en transportör, för att regenerera detta och sedan mata tillbaka det i tanken. Detta kräver bara en relativt liten reaktor, eftersom det aldrig behöver bearbeta mer än en bråkdel av det totala förbrukade kolet vid något tillfälle, och själva regenereringen varar bara några minuter. Och, eftersom det förbrukade kolet inte rör sig i reaktorn, det finns minimalt nötning, så vi uppskattar att vi bara kommer att behöva fylla på det med maximalt 10 procent nytt aktivt kol per cykel."

Lovande resultat med stor potential

Användningen av denna komposit med aktivt kol har genomgått försök vid avloppsvattenreningsverket hos industripartnern Wuppertal-Buchenhofen, där det visades att det framgångsrikt adsorberar spårämnen. För att testa regenereringsprocessen, forskarna satte upp en prototypreaktor på en plats borttagen från reningsverket. Denna reaktor, som har en kapacitet på 40 till 50 liter, gav också uppmuntrande resultat. I slutet av en nästan 3-årig projektfas, Gehrke är därför säker:"Våra tester har inte bara visat att vår process sparar resurser utan också att den är ekonomisk och konkurrenskraftig." För närvarande, partnerna diskuterar möjliga uppföljningsprojekt som involverar uppskalade piloter som finns på plats vid reningsverket.