Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Mathias Ernst / Natalie Lüdemann

Problemstellung:

Erhöhte Nitratwerte in Gewässern, insbesondere im Grundwasser, stellen ein globales Problem für die Trinkwasserversorgung dar (Weltgesundheitsorganisation 2011; Mohseni-Bandpi et al. 2013). Aufgrund seiner krebserregenden Eigenschaften und der Gefahr, Methämoglobinämie zu verursachen, basieren die Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft (EWG) auf einem Trinkwassergrenzwert von 50 mg NO3-/l, der auch in der deutschen Trinkwasserverordnung (TrinkwV; Weltgesundheitsorganisation 2011) enthalten ist. Zur Entfernung von Nitrat aus Trinkwasser können verschiedene Aufbereitungstechniken eingesetzt werden, wie Umkehrosmose, Ionenaustausch, Elektrodialyse und biologische Denitrifikation. Die biologische Aufbereitung rückt zunehmend in den Fokus, da sie im Vergleich zu physikalisch-chemischen Verfahren durch die vollständige und selektive Reduktion von Nitrat zu Stickstoff eine hohe Wasserrückgewinnung bei moderaten Kosten bietet (Rezvani et al. 2019).

Die biologische Denitrifikation kann in auto- und heterotrophe Denitrifikation unterteilt werden. Die heterotrophe Denitrifikation wird in der Regel in der Abwasserbehandlung eingesetzt. Hier werden biologisch leicht abbaubare organische Kohlenstoffquellen benötigt, die jedoch bei der Trinkwasseraufbereitung aufgrund des beschleunigten schnellen Wachstums von Mikroorganismen ein hygienisches Risiko darstellen können. Die autotrophe Denitrifikation nutzt ausschließlich anorganischen Kohlenstoff wie CO2, weshalb diese Methode für die Trinkwasseraufbereitung, insbesondere für Grundwasser, vorzuziehen ist (Rezvani et al. 2019). In den letzten Jahren werden zunehmend bioelektrochemische Systeme (BES) im Zusammenhang mit der biologischen Denitrifikation diskutiert (Cecconet et al. 2018; Rezvani et al. 2019).

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines autotrophen denitrifizierenden bioelektrochemischen Systems zur Trinkwasseraufbereitung. Der Schwerpunkt liegt auf der Suche nach geeigneten Kathodenmaterialien und deren Formen, die als Elektronendonatoren und geeignete Lebensräume für Mikroorganismen fungieren können. Der Prozess wird im Hinblick auf seine Stabilität, relevante Randbedingungen und Herausforderungen bei der Umsetzung untersucht.

Zunächst wurden einfache Batch-Versuche konzipiert, um wesentliche Einflussparameter zu identifizieren und die grundlegenden Prozesse in einem innovativen Reaktoraufbau zu optimieren. Anschließend wird dieser Versuchsaufbau mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialien und variierenden Materialeigenschaften und Formen durchgeführt. Auf Basis der Batch-Ergebnisse soll ein kontinuierliches bioelektrisches Reaktorsystem aufgebaut werden.

Verbundprojektkoordination:    Inflotec GmbH

Verbundpartner:  

• DVGW-Forschungsstelle TUHH

• Bundeswehr, Wehrwissenschaftliches Institut für Schutztechnologien

• Umweltbundesamt

• Surflay Nanotec GmbH

   

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Julia Bennert

Problemstellung:

Das Ziel des Vorhabens KeraRes ist die Entwicklung eines neuen Membranprozesses zur ressourceneffizienten Wasseraufbereitung. Durch Post-Modifikation mit Polyelektrolyten wird eine keramische Nanofiltrationsmembran (NF) hergestellt, mit der die sichere Aufbereitung selbst von schwer behandelbaren Wasserressourcen (z.B. Flusswasser, Abwasser, Regenwasser) in einem Aufbereitungsschritt ermöglicht werden soll. Sowohl Partikeln (z.B. Mikroplastik), Bakterien und Viren, als auch gelöste Wasserinhaltsstoffe (Organik, Salze) sollen zurückgehalten werden.

Herkömmliche NF-Membransysteme unterliegen grundsätzlich dem Problem des Foulings (Partikeln, Organik, Ausfällungen, Biofilm), d.h. dass die Membranen mit zunehmender Betriebsdauer durch Deckschichtbildung organischer sowie anorganischer Partikeln verblocken. Eine Rückspülung ist bei herkömmlichen NF-Wickelmembranmodulen nicht möglich und durch Membranreinigung (Cleaning-in-Place) kann nur ein Teil der Deckschicht wieder entfernt werden. Daher erhöht sich der Energiebedarf über die Betriebsdauer bis zu dem Punkt, an welchem die Membranmodule ausgetauscht werden müssen. Mit dem KeraRes-Membranprozess soll dieses Problem durch Regeneration der LbL-Beschichtung gelöst werden: die alte LbL-Schicht wird durch pH-Erhöhung aufgelöst und danach neu aufgetragen.

Das KeraRes-Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung einer innovativen Wasseraufbereitungstechnologie. Dafür werden mithilfe des Layer-by-Layer (LbL)-Verfahrens funktionale Polyelektrolyt-Schichten auf Keramikmembranen aufgebracht. Mit den beschichteten Membranen sollen mehrwertige Ionen wie Härtebildner effizient entfernt werden, ebenso organische Moleküle, auch persistente Verbindungen wie PFAS.

Die Rückspülbarkeit und Regenerierbarkeit der NF-Trennschicht ermöglichen einen einstufigen Prozess, der die Vorbehandlung des Wassers durch Mikrofiltration überflüssig macht. Durch eine bessere Kontrolle der Verschmutzung (Fouling) kann die Energieeffizienz weiter gesteigert werden.

Das Teilprojekt der DVGW-Forschungsstelle TUHH beinhaltet vor allem die Charakterisierung der LbL-beschichteten Membranen. Um die Eigenschaften der Beschichtung zu erfassen und zu optimieren, wird die beschichtete Membranoberfläche auf ihre Struktur und Ladungseigenschaften untersucht. Das Filtrationsverhalten (Trenneigenschaften und Permeatflux) wird durch Laborversuche mit verschiedenen Wässern erfasst, einschließlich des Fouling- und Rückspülverhaltens und Energiebedarfs. Diese Charakterisierung ermöglicht Rückschlüsse für weitere Anpassungen der Beschichtung. Die Filtrationstests mit Modellwässern und Testwässern liefern umfassende Daten für die Modulentwicklung und die Bewertung des Filtrationsprozesses.

Projektbearbeitung:

Dr. Muhammad Ali Inam

Problemstellung:

The presence of high concentrations of ionic contaminants in groundwater reservoirs pose a serious threat to humans and environment. Amongst, selenium (Se) oxyanions have been recorded in groundwater because of mining, petroleum refining, fossil fuel combustion, and irrigation [2]. In accordance, high Se concentration i.e., 2103 μg/L, 800 μg/L, 2700 μg/L and 4475 μg/L have been found in Soan Sakesar Valley, Pakistan; Atacama Desert, Chile; Martin Creek Reservoir, Texas, USA; and Sirmaur district of Himachal Pradesh, India; respectively [3]. Nevertheless, Se is an essential mineral required by human body however it becomes noxious when found in greater concentrations in drinking water supplies. The oral intake of higher Se concentration (>400 μg/day) may cause serious health problems including reproductive anomalies and developmental abnormalities in foetus, hair loss, body pain, muscle damage, liver and kidney failure, cancer, and even death may occur. Therefore, German drinking water ordinance, World Health Organization (WHO) and U.S. Environmental Protection Agency has set Drinking Water Regulation Limit (DWRL) for Se as 10 μg/L, 40 μg/L and 50 μg/L, respectively [4,5]. To meet stringent Se guidelines and ensure public health safety, an efficient and technoeconomic feasible treatment approach is needed.

Amongst, adsorption technology utilizing commercial iron-based adsorbents has shown promising performance for removing contaminants including metal oxyanions from a wide range of water matrices. However, eliminating Se from drinking water is challenging owing to its toxicity, solubility and varying oxidation states. It is commonly found in environment as selenate (Se(VI): HSeO4‾, SeO42-), selenite (Se(IV): H2SeO3, HSeO3‾, SeO32-), selenium (Se(0)) and selenide (Se(-II): H2Se, HSe‾) depending on pH and redox conditions [2]. Previous research [6–8] has shown wide applicability of commercially available iron-based adsorbent i.e., granular ferric hydroxide (GFH) for removal of other oxyanions including arsenic, phosphate, vanadium etc. from water. Therefore, it may be hypothesized that GFH may contain potential in eliminating toxic Se oxyanions from drinking water supplies. In addition, release of iron from poorly crystalline GFH structure into the solution particularly at low redox potential, leading to its higher residual content, has been rarely investigated. Therefore, it will be critical to examine the stability of GFH at long term operations along with its effectiveness in remediating targeted contaminants. In accordance, little is known on how Se oxyanions will behave and react with GFH in aqueous environment. It will therefore be worth exploring the mechanistic insights into the fate, mobility, transformation, and removal behavior of Se species under environmentally relevant conditions. In addition to commercial adsorbents, prior research has focused on utilization of iron-based sorbents for Se remediation from drinking water, however, all these studies only discussed in-depth understanding of batch mode operation [9]. Moreover, there always remains a research gap in utilizing adsorbent material in GEH® adsorbent unit for continuous mode Se treatment from drinking water supplies. Therefore, the planned project aims to address these research gaps and provide practical and sustainable solution to drinking water industries when dealing with toxic Se oxyanions.

The goal of this research is to initially investigate the adsorption performance and iron leaching aspects of GFH upon its contact with toxic selenium (Se) oxyanions under a series of batch mode laboratory experiments in various solution chemistries (e.g., GFH dosage, solution pH, contact time, suspension temperature, initial Se(IV, VI) concentration, coexisting ions etc.). Mathematical models on experimental results and characterization techniques on virgin and spent GFH will be later employed to explore mechanistic insights into adsorption and transformation behavior of Se oxyanions in water. The research work will then be expanded to small-scale continuous mode GEH® adsorbent unit for Se removal from drinking water, where GFH loading rates and initial Se oxyanions level will be tested in synthetic test solutions as well as real raw waters at long term operations. To achieve the Se permitted value of 10 μg/L in drinking water and to optimize the Se removal process using GFH, a response surface approach will be employed. The spent GFH media will be examined for various physiochemical variations at different bed depths using analytical techniques. In conjunction with technical aspect, economic feasibility of GEH® adsorbent unit will also be evaluated.