Wertvolles Wasser

„Erste Erfahrungen aus anderen Kliniken zeigen, dass sich der Trinkwasserverbrauch nahezu halbieren lässt, etwa durch die Nutzung von Regen- oder Grauwasser“, erklärt der Projektleiter Felix Glahn vom Institut für Umwelttoxikologie der Universitätsmedizin Halle.

Ultraschallsensoren im Aufbereitungsmodul entfernen Medikamentenrückständen fast vollständig. · Foto: © Fraunhofer IKTS

Allgemein gilt die Wiederverwendung von Abwasser aus Krankenhäusern jedoch als schwierig und erfordert eine aufwendige Filterung vor Ort. Denn das Abwasser ist teilweise stark mit Medikamentenrückständen und Schadstoffen belastet. Selbst nach einer Reinigung in der Kläranlage lassen sich derartige Rückstände bislang nur unzureichend entfernen. Die Rückstände gelangen zurück in die Umwelt und stellen ein Gesundheitsrisiko dar. „Wir erzeugen einen Selektionsdruck auf die Krankheitserreger in der Umwelt und fördern das Wachstum von Mikroorganismen, die resistent gegen die Medikamente sind“, sagt Glahn. Besonders problematisch seien antibiotikaresistente Bakterien, die zunehmend in Stadtgewässern und Seen zu finden sind. Darüber hinaus können Röntgenkontrastmittel oder Hormone unvorhergesehene Wirkungen auslösen und etwa das Geschlechterverhältnis von Fischen verschieben.

Deshalb arbeiten die Forscher in Halle daran, belastete Abwässer noch vor der Klärung zu reinigen, etwa mit neuartigen Filtern und durch Nachbehandlung herausgefilterter Stoffe. Um diese gezielt unwirksam zu machen, wird das entnommene Schadstoffkonzentrat zusätzlich photokatalytisch behandelt. Unter UV-Licht und durch die Beimischung eines Katalysators wie Ozon oder Titandioxid lassen sich die Schadstoffe fast vollständig abbauen; der Katalysator setzt dabei die Abbaureaktionen in Gang. Die energiereiche UV-Strahlung löst Elektronen aus den Atomhüllen und bildet geladene, hochreaktive Wasser- und Sauerstoffmoleküle, sogenannte freie Radikale. Diese reagieren mit den Schadstoffen zu harmlosen Verbindungen wie Kohlendioxid oder Wasser.

Vierte Reinigungsstufe

Die im Projekt erprobten Technologien sind nicht nur für Krankenhäuser interessant; sie werden auch an anderen Stellen im Abwassersystem dringend gebraucht: Auch Pflanzenschutzmittel und Industriechemikalien wie PFAS lassen sich in Kläranlagen nicht vollständig entfernen. Mit der Folge, dass in einem Drittel des Grundwassers in Deutschland die Schadstoffkonzentration über den Grenzwerten der EU-Grundwasserrichtlinie liegt. Das liegt nicht nur am Abwassersystem: Der Großteil der Verschmutzung geht auf Nitrat aus Düngemitteln zurück, die direkt auf den Feldern ins Grundwasser sickern.

Dennoch ist das einer der Gründe, warum die EU beschlossen hat, Kläranlagen ab 2045 zu einer vierten Reinigungsstufe zu verpflichten. Diese soll besonders stabile Schadstoffe durch Nanofiltration und andere Verfahren aus dem Wasser entfernen. Noch besser wäre es allerdings, wenn die Schadstoffe erst gar nicht ins Abwasser gelangen und man sie direkt an der Quelle herausfilterte – so wie in Halle. „Das besondere an unserem Projekt ist, dass wir direkt an die Quelle gehen. Die sogenannte End-of-Pipe-Reinigung ist zwar notwendig, aber nicht ideal“, so Jürgen Wiese, Beteiligter des Projekts und Professor für Siedlungswasserwirtschaft an der Hochschule Magdeburg-Stendal.

Doch die UV-Behandlung hat ihre Grenzen: Das Wasser muss zum Beispiel möglichst klar sein – bei Abwasser selten. Eine Lösungsmöglichkeit ist es, sehr flache Wasserleitungen zu verwenden, in denen das UV-Licht die dünne Flüssigkeitsschicht vollständig durchdringt.

Eine zweite Herausforderung sind besonders stabile Schadstoffe wie Röntgenkontrastmittel, die sich durch eine Photokatalyse kaum abbauen lassen. Stattdessen entstehen dabei oft gesundheitsschädliche Transformationsprodukte. Mittlerweile arbeiten auch andere Krankenhäuser daran, Abwasser noch im Haus zu reinigen, etwa über separate Toiletten mit speziellen Filtern, um Schadstoffe wie Röntgenkontrastmittel direkt einzufangen.

Hochspannungspulse erzeugen im Wasser freie Radikale, die hartnäckige Schadstoffe beseitigen können. · Foto: © Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.

Elektrochemie im Abwasser

Neben der Bestrahlung mit UV-Licht gibt es weitere Ansätze, um Schadstoffe im Abwasser abzubauen. Am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) arbeiten Forscher an einer elektrochemischen Alternative, die auch extrem stabile Verbindungen auflösen kann. Hier treibt eine elektrische Spannung die Reaktion voran: Dazu werden zwei Elektroden in das Wasser getaucht. An der positiven Anode geben die Wassermoleküle ein Elektron ab. Sie werden oxidiert und bilden die gleichen reaktionsfreudigen freien Radikale wie bei der UV-Behandlung. Dann reagieren sie mit den Schadstoffen zu harmloseren Substanzen. Einige organische Schadstoffe und Bakterien verlieren an der Anode auch selbst Elektronen und werden direkt abgebaut. Wie genau die Reaktion abläuft, hängt vom Elektrodenmaterial und der Zusammensetzung des Abwassers ab. Besonders bewährt haben sich bor-dotierte Diamantelektroden; jedoch ist das Material teuer und das Verfahren energieaufwendig.

Um es effizienter zu machen, nutzen die IKTS-Wissenschaftler zusätzlich Ultraschall. Die Ultraschallschwingungen verbessern den Stofftransport an den Elektroden. Außerdem erzeugen sie mikroskopische Bläschen im Wasser. Wenn sie kollabieren, sorgen sie kurzfristig für extreme Temperaturen und Druckspitzen und können dadurch Wassermoleküle spalten. So entstehen weitere Radikale, die wiederum mit den Schadstoffen reagieren.

Sauberes Wasser mit Plasma

Ein nochmals anderer Ansatz des IKTS, der ohne Katalysatoren oder teure Elektroden auskommt, sind Plasmaverfahren. Hierbei löst ein schnell schwingendes elektromagnetisches Feld die Elektronen in der Luft aus ihren Atomhüllen – ein Plasma entsteht. „Die angeregten und ionisierten Atome sind sehr reaktiv und können auch stabilste organische Verbindungen abbauen“, erklärt Jürgen Kolb, der am Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP) unter anderem an Verfahren zur Abwasserreinigung forscht. Damit lassen sich insbesondere die als „Ewigkeitschemikalien“ bekannten PFAS-Verbindungen unschädlich machen.

Doch um in Klärwerken großflächig für die kommende vierte Reinigungsstufe eingesetzt zu werden, seien Plasmaverfahren laut Kolb noch nicht ausreichend in der Praxis erprobt: „Denn für die vierte Reinigungsstufe muss die Umsetzung jetzt sehr schnell gehen. Daher wird man auf etablierte Technologien zurückgreifen, wie die UV-Behandlung unter Einsatz eines Katalysators oder die seit Jahrzehnten bewährte Aktivkohlefilterung. Plasma könnte an anderer Stelle eine Rolle spielen. „Es eignet sich eher für kleine dezentrale Wiederaufbereitungsanlagen in Krankenhäusern oder auch in Unternehmen“, so Kolb.

Rohstoffe und Energie aus Abwasser?

Denn was auf Krankenhäuser zutrifft, gilt erst recht für die Industrie. Viele Unternehmen müssen ihr Abwasser laut Gesetz selbst vorbehandeln, bevor sie es in die Kanalisation einleiten dürfen. Bislang bedeutet das in der Regel: Erst filtern und das entnommene Schadstoffkonzentrat dann verbrennen, um es unschädlich zu machen. Plasma und elektrochemische Verfahren könnten diesen Prozess nachhaltiger und effizienter machen.

Man kann damit auch wertvolle Rohstoffe aus dem Abwasser zurückgewinnen. Wie das funktionieren kann, untersucht das MeGaBat-Projekt des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung (IFAM). Die Wissenschaftler isolieren Lithium, Kobalt und Seltene Erden elektrochemisch aus Abwässern der Batterieindustrie. Im Gegensatz zu den gängigen metallurgischen Recyclingverfahren kommen die elektrochemischen Verfahren ohne Lauge oder Säure aus und benötigen weniger Energie.

Projektleiter Felix Glahn (r., Unimedizin Halle) und Professor Jürgen Wiese (Hochschule Magdeburg-Stendal) wollen den Wasserverbrauch am Uniklinikum Halle senken und Arzneimittelrückstände reduzieren. · Foto: © MZ-Foto Matthias Müller

Auch die Rückgewinnung von Phosphor, Stickstoff, Wasserstoff oder sogar Energie aus Abwasser ist möglich. Weltweit produziert die Menschheit jährlich rund 359 Milliarden Kubikmeter Abwasser, in denen im Prinzip über 800.000 Gigawattstunden chemische Energie stecken. Diese Energie kann natürlich nicht vollständig genutzt werden. Forschern aus Leipzig und Greifswald ist es in ersten Laborversuchen aber gelungen, 35 Prozent der im Abwasser gebundenen Energie in Strom umzuwandeln.

Der Schlüssel hierzu sind elektroaktive Bakterien, die auf natürliche Weise im Abwasser vorkommen. Ähnlich wie die Bakterien, die in der zweiten Reinigungsstufe der Klärwerke zur mikrobiellen Reinigung genutzt werden, bauen sie organische Substanzen ab. Bei ihrem Stoffwechsel geben sie Elektronen ab. Taucht man eine Elektrode in das Wasser, bilden sie daran einen Biofilm und übertragen die Elektronen direkt an das Metall, sodass ein Stromfluss entsteht. Durch den Einsatz von elektroaktiven Bakterien in der zweiten Reinigungsstufe könnte so ein Teil des Stroms für die weitere Behandlung zurückgeführt werden. Allerdings ist der Wirkungsgrad noch nicht sehr hoch.

Derartige Kreisläufe aus Wasser, Energie und Stoffen gehören zu den zehn Schwerpunkten der Nationalen Wasserstrategie 2030 der Bundesregierung. Sie soll den naturnahen Wasserhaushalt wiederherstellen und die Wasserwirtschaft klimaresilient machen. „Die technischen Lösungen dafür sind im Prinzip da. Aber der große Maßstab fehlt noch“, sagt Kolb. Vor allem bei dem Technologietransfer aus der Forschung zur Industrie gibt es im Wassermanagement also noch viel zu tun. //

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