IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung (Koordination)
Cornelsen Umwelttechnologie GmbH
DELTA Umwelt-Technik GmbH
LAGOTEC GmbH
LANXESS Deutschland GmbH
Solenis Technologies Germany GmbH
Institut für Technischen Umweltschutz - Umweltverfahrenstechnik der TU Berlin
TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser
Institut für Analytische Chemie der UDE
Mechanische Verfahrenstechnik/Wassertechnik der UDE
Abteilung Evolutionsökologie und Umwelttoxikologie der Goethe-Universität
DVGW-Forschungsstelle TUHH

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Shambhavi Arvind Kaushik

Problemstellung:

In der Trinkwasseraufbereitung werden zunehmend die Membrantrennverfahren Nanofiltration und Umkehrosmose (NF und UO) eingesetzt, z.B. für die Reduzierung der Konzentration von Härtebildnern, anderen anorganischen Wasserinhaltsstoffen, natürlichen organischen Stoffen oder zur Entfernung von anthropogenen Spurenstoffen.

Bei NF/UO-Prozessen entstehen unterschiedliche Konzentratmengen mit einer entsprechend höheren Konzentration der abgetrennten Stoffe. Antiscalants (überwiegend Phosphonate und Carboxylate), die zur Vermeidung von Ausfällungen dosiert werden, verbleiben ebenfalls im Konzentrat. Alle Entsorgungswege für die Konzentrate (Direkt- oder Indirekteinleitung) sind Bestandteil der Anlagengenehmigung mit Zustimmung der zuständigen Wasserbehörden. In den letzten Jahren wird die Einleitung von Konzentraten in ein Gewässer durch die zuständigen Genehmigungsbehörden zunehmend kritisch betrachtet, insbesondere wenn die Konzentrate naturfremde anthropogene Spurenstoffe inklusive der zugesetzten Aufbereitungsstoffe oder Nährsalze in hohen Konzentrationen enthalten. Da die Verweigerung der Einleitgenehmigung für die Konzentrate i. d. R. dem Aus der NF/UO gleichkommt, sind Lösungen gefragt, die den Einsatz dieser innovativen und mit vielen Vorteilen versehenen Technologie in der Trinkwasseraufbereitung langfristig sichern.

Im Verbundprojekt KonTriSol werden in sieben Arbeitspaketen verschiedene Lösungsansätze untersucht. Die DVGW-Forschungsstelle TUHH koordiniert das Arbeitspaket „Antiscalants – Bewertung und Alternativen“, in dem folgende Teilziele verfolgt werden:

• Zuverlässige Bewertung der Wirksamkeit von Antiscalants im Aufbereitungsprozess durch standardisierte Messung der homogenen sowie der heterogenen Kristallisation
• Sichere Aussagen zum Verhalten eingesetzter Antiscalants im Aufbereitungsprozess sowie zu deren Bewertung vor dem Hintergrund einer optimierten und sicheren Analytik
• Entwicklung, halbtechnische Umsetzung und Validierung verfahrenstechnischer Strategien zur Minimierung / Vermeidung von Antiscalants

An der DVGW-Forschungsstelle TUHH werden dazu Laborversuche zur Wirksamkeit von Antiscalants bei wechselnden Randbedingungen (DOC-Gehalt, Ausbeute, Temperatur, pH, etc.) durchgeführt. Es werden sowohl Tests zur Bewertung des homogenen Scalings in der Wasserphase als auch zur Bewertung des heterogenen Scalings auf (Membran-)Oberflächen eingesetzt und weiterentwickelt sowie mit Berechnungsergebnissen aus Softwareprogrammen verschiedener Membran- und Antiscalant-Hersteller verglichen.

Ziel ist, einen zuverlässigen, harmonisierten Test zur Überprüfung der Wirksamkeit von Scaling-inhibierenden Substanzen (Antiscalants und deren Inhaltsstoffen) in Abhängigkeit von den jeweiligen Randbedingungen des Membranprozesses (Vorbehandlung, Wassermatrix, Ausbeute, etc.) zu entwickeln. Dies soll zur Identifizierung von Antiscalant-Produkten oder Produktmischungen und ggf. alternativen Formulierungen dienen, die möglichst vollständig durch die Membranen zurückgehalten werden, in möglichst geringen Konzentrationen mit möglichst wenigen Nebenbestandteilen eingesetzt werden können und die bei Einleitung in Gewässer möglichst geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben.
 

TECHNION Israel Institut of Technology
Technische Universität Ilmenau
Hamburg Wasser
bbe Moldaenke GmbH

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr. Mathias Ernst / Dr. Anissa Grieb / Jonas Schuster, M. Sc.

Problemstellung:

Die Überwachung von organischen und biologischen Wasserqualitätsparametern in der Trinkwasserverteilung ist häufig arbeits- und zeitaufwändig, wodurch eine schnelle Reaktion auf Störungen nicht möglich ist.

Dieses Projekt strebt die Etablierung einer Online-Überwachung der Wasserqualitätsparameter in Echtzeit an, zur schnellen Detektion, Simulation im Verteilungssystem und vor allem raschen Reaktion auf entstehende Veränderungen. Durch eine automatisierte Reaktion minimiert sich die Zeit zwischen Detektion und Reaktion.

Online-Sensoren für die Echtzeit-Messung von organischen und biologischen Parametern werden weiterentwickelt, getestet und beurteilt. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Fluoreszenzspektroskopie und der Durchflusszytometrie:

• Die Möglichkeit gelösten organischen Kohlenstoff (engl. dissolved organic carbon = DOC) mit Hilfe von Fluoreszenzspektroskopie zu charakterisieren und quantifizieren wird evaluiert. Dabei werden auch Konzepte für wellenlängenspezifische Sensoren in Kooperation mit bbe Moldaenke entwickelt.
• Durchflusszytometrie wird an die kontinuierliche Messung zur quantitativen und qualitativen Beschreibung von Bakterien angepasst. Parallel wird die Nutzung der Durchflusszytometrie zur schnelleren Bestimmung des assimilierbaren gelösten organischen Kohlenstoffs (AOC) als Parameter für das Nachwachspotential von Bakterien untersucht.
• Die Korrelationen zwischen den Messungen mit dem Fluoreszenzspektrometer und dem Durchflusszytometer werden untersucht, sowie die Korrelationen zu Standard-Trinkwasser-Qualitätsparametern

Die Simulation relevanter Parameter (Partikel, Bakterien, Schadstoffe) und die Entwicklung eines Algorithmus zur schnellen Detektion von Anomalien, sowie die Entwicklung einer automatisierten Antwort auf Veränderungen (z.B. Desinfektionsdosis,  Öffnung/Schließung von Ventilen oder Änderungen in der Fließgeschwindigkeit) werden von den Kollaborationspartnern TECHNION und TU-Ilmenau erarbeitet.

Entwickelte Online-Sensoren und Simulationsergebnisse werden dann in einer Testanlage von Hamburg Wasser untersucht und validiert.

 

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Mathias Ernst, Dr.-Ing. Muhammad Usman

Problemstellung:

In den letzten Jahren haben mehrere Forschungsgruppen gezeigt, dass elektrisch leitfähige Ultrafiltrationsmembranen (UF) zur Verbesserung von UF-Prozessen eingesetzt werden können. Indem ein negatives elektrisches Potential an die Membranoberfläche angelegt wird, werden negativ geladene Wasserinhaltsstoffe wie natürliches organischen Material (NOM) von der Membran abgestoßen, was zu einem erhöhten NOM-Rückhalt und zur Verminderung von Membranfouling führen kann. Herkömmliche UF Membranen sind nur unzureichend in der Lage, NOM aus Rohwässern zu entfernen. Für diesen Zweck werden bisher z.T. energieintensive Nanofiltrationsmembranen (NF) eingesetzt. Ein neuartiger Ansatz zur Entfernung von NOM ist die elektrosorptive Nutzung von leitfähigen porösen Membranen. Hierbei wird die Membran durch ein externes Potential nicht negativ, sondern positiv geladen. Dies führt zu einer elektrostatischen Adsorption der NOM in der Membranstruktur.

Kommerzielle Membranen werden durch unterschiedliche Verfahren elektrisch leitfähig gemacht, u.a. durch ultra-dünne Schichten leitfähigen Materials (bspw. Gold, Silber, etc.). Durch das Anlegen eines positiven Potenital, werden während der Deadend-Filtration negativ geladene NOM an die Membranoberfläche adsorbiert. Nachdem die Adsorptionskapazität der Membran erreicht ist, wird das elektrische Potential umgepolt, was zur Desorption der NOM und zur Regeneration der Membran führt. Durch das neuartige Verfahren wird ein NOM-Rückhalt erreicht, welcher im Bereich der Crossflow-Nanofiltration liegt. In das Projekt ist das Institut für Polymerforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) eingebunden.

Verbundprojektkoordination:    DVGW-Forschungsstelle TUHH

Verbundpartner:  

• Hamburger Wasserwerke GmbH
• Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband
• CERAFILTEC Germany GmbH Blue Filtration
• Umweltbundesamt
• PHL Substratkontor GmbH & Co. KG

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Charlotte Kast

Problemstellung:

In der Grundwasseraufbereitung fallen aktuell Filterspülwässer zwischen 1% und 4% der gehobenen Grundwässer an. Diese schlammhaltigen Filterspülwässer werden in der Regel als Abwasser entsorgt und gehen damit der Trinkwasserversorgung verloren. Gleichzeitig steigt der Trinkwasserbedarf regional als Folge des Klimawandels oder Demografie- und Strukturwandels deutlich. Hinzu kommt, dass der eisen- und manganhaltige Filterschlamm häufig nicht weiter verwertet wird.

Durch entsprechende Aufbereitung von Filterspülwässern könnte zum einen die Verfügbarkeit von Trinkwasser für die Wasserversorgung erhöht werden. Zum anderen könnten die anfallenden Eisen- und Manganschlämme zur kommerziellen Verwertung z.B. zur Bindung von Schwefel in Biogasanlagen, aber auch in der Land- und Forstwirtschaft sowie der Bauindustrie und Umwelttechnik weiter aufbereitet werden.

Im Verbundprojekt FITWAS werden innovative Lösungsansätze zur Rückgewinnung von Filterspülwasser sowie zur Verwertung von Filterschlämmen mit folgenden Zielen untersucht:

• Klärung der geeigneten Verfahrensvariante (Druck-/Unterdruckfiltration, Filtrationsrichtung) und Membranmodule/-materialien (Keramik/Polymer) zur Aufbereitung von Filterspülwässern sowie Vergleich mit konventioneller Aufbereitung
• Bewertung der erzielbaren Filtrationsleistung und der Ableitung von Reinigungsstrategien mit minimiertem Chemikalieneinsatz und Energiebedarf
• Rechtliche Anforderungen und Bestimmung der Filtratqualität zur sicheren Rückführung in den aufzubereitenden Rohwasserstrom
• Validierung des Reststoffnutzungspotenzials in Abhängigkeit von Ausbeute und Feststoffgehalt sowie verfahrenstechnische Anpassung zur Speicherung der Filterspülwässer und Aufbereitung der Filterschlämme

Die DVGW-Forschungsstelle TUHH, CERAFILTEC und das UBA werden vergleichende Laborversuche mit keramischen und polymeren Membranen zur effizienten und betriebssicheren Filterspülwasserrückgewinnung durchführen. Anschließende Praxisversuche an ausgewählten Wasserwerkstandorten von OOWV und HWW dienen der Implementierung in den Gesamtprozess sowie der Generierung belastbarer Daten zu Energie- und Betriebskosten. Im UBA-Versuchswasserwerk wird insbesondere der Rückhalt von Viren und Schwermetallen und deren Rückhalt bzw. Resuspendierung untersucht. Die Qualität und die technischen bzw. ökonomischen Verwertungsoptionen des Filterschlamms werden durch PHL evaluiert. Damit soll ein ganzheitlicher Ansatz zur Wiederverwendung von Filterspülwässern aus der Trinkwasseraufbereitung geschaffen werden, mit Berücksichtigung der rechtlichen Rahmenbedingungen.

Verbundprojektkoordination:    DVGW-Forschungsstelle TUHH

Verbundpartner:  

• Politecnico di Milano (IT)
• Kompetenzzentrum Wasser Berlin (DE)
• BioDetection Systems (NL)
• Eurecat - Centre Tecnologic de Catalunya (ES)
• Umweltbundesamt (DE)
• Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (DE)
• Consorci d’Aigües de Tarragona (ES)
• Tutech Innovation GmbH (DE)
• Metropolitana Milanese SPA (IT)
• Multisensor systems (UK)

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr. Anissa Grieb / Jon Wullenweber

Problemstellung:

Ein Fokus von SafeCREW liegt auf der Erforschung bisher unbekannter Nebenprodukte der Desinfektion und der weiteren Charakterisierung bereits bekannter Nebenprodukte und deren Entstehung. Mit den Forschungsergebnissen beabsichtigen die beteiligten Unternehmen Methoden zur Quantifizierung und zur Verminderung dieser Nebenprodukte zu entwickeln, um die menschliche Gesundheit zu schützen.

Das SafeCREW-Konsortium wird an drei Fallstudien in Norddeutschland, Italien und Spanien die Charakterisierung der Wasserqualität vorantreiben und neue Aufbereitungsverfahren und ein besseres Management der Wasserverteilnetze entwickeln, damit die hohe Trinkwasserqualität in der EU gesichert bleibt. Dies schließt alle Prozesse von der Quelle über die Aufbereitung bis ins Verteilungsnetz ein.

Neben der Verbundprojekt-Koordination liegt der Fokus unserer Forschungsstelle innerhalb des Projekts auf der chemikalienfreien Entfernung von natürlichem organischem Material (NOM) aus dem Wasser, um die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten zu verhindern. Dazu wird die Ultrafiltration mit elektrisch leitfähigen Membranen weiterentwickelt. Weiterhin sind wir involviert in der Entwicklung eines passive samplers zur Überwachung von Pathogenen im Trinkwassernetz und in der Charakterisierung von NOM.

https://safecrew.org/

https://cordis.europa.eu/project/id/101081980

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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.