Advanced Oxidation Processes (AOP)

Oxidative Verfahren bieten effektive und nachhaltige Lösungsansätze für die Wasseraufbereitung. Unter oxidativer Wasseraufbereitung (engl. Advanced Oxidation Processes, AOP), häufig auch erweiterte Oxidation genannt, werden Verfahren zur chemischen Aufbereitung zusammengefasst, bei denen Hydroxyl-Radikale gebildet werden. Diese sind hochreaktiv und reagieren auch mit chemisch oder biologisch schwer abbaubaren organischen Substanzen.

Die Bildung von Hydroxyl-Radikalen kann durch Dosierung oxidativer Stoffe wie Ozon oder Wasserstoffperoxid, durch Energieeintrag mittels UV-Strahlung, Ultraschall oder elektrischen Stroms sowie durch Kombination solcher Verfahren erreicht werden.

 

Vorteile und Einsatzgebiete

Durch die Einsparung von Chemikalien bieten elektrolytische und oxidative Verfahren wirtschaftlich attraktive und nachhaltige Lösungen für die Reinigung von Betriebs-, Prozess- und Abwasser mit Substanzen, die in einer biologischen Klärstufe nicht abgebaut werden. Die für den Betrieb der Anlage benötigte Energie kann als elektrischer Strom auch regenerativ durch Photovoltaik- oder Windkraftanlagen bereitgestellt werden.

Batch-Reaktor zur UV-C/H2O2-Behandlung von Wasser.
Batch-Reaktor zur UV-C/H₂O₂-Behandlung von Wasser.
Bestimmung von Ozonübergang, Schaumverhalten und Behandlungskosten.
© Fraunhofer IGB
Bestimmung von Ozonübergang, Schaumverhalten und Behandlungskosten.
Dipl.-Ing. Christiane Chaumette im Labor.
© Fraunhofer IGB
Dipl.-Ing. Christiane Chaumette im Labor.

Anwendungsbeispiele

Quantifizierung des Methylenblau-Abbaus

Ein Problem im Bereich der oxidativen Abwasseraufbereitung ist die Bildung von Abbau- und Nebenprodukten, die teilweise ein erhebliches Gefahrenpotenzial haben oder nicht hinreichend toxikologisch bewertet sind. Durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter kann jedoch in nahezu allen Fällen die Bildung toxischer Nebenprodukte vermieden werden. Um die Reaktionsmechanismen und Abbauprodukte unterschiedlicher AOP-Methoden in der AOP-Forschungsanlage zu quantifizieren, wurden Versuche mit der Modellsubstanz Methylenblau (C16H18Cl N3S) durchgeführt. Neben der Entfärbung (Messung bei 664 nm) wurde die Nebenproduktbildung über HPLC, gekoppelt mit UV- und Massenspektrometrie verfolgt. Im Vergleich von anodischer Oxidation, Ozonbehandlung und UV-Behandlung stellte sich die Ozonbehandlung als beste Behandlungsmethode dieses Modellwassers dar.

Entfärbung von organischen Farbstoffen durch anodische Oxidation

Im Hinblick auf die Aufbereitung realer Abwässer aus der Textilindustrie wurden in orientierenden Versuchen ein molekular gelöster organischer Farbstoff und ein feinpartikulärer organischer Farbstoff zu mehr als 90 Prozent abgebaut – bis die Flüssigkeiten dem menschlichen Auge farblos erschienen. Die Studie umfasste auch die Ermittlung der energieeffizientesten Prozessparameter sowie eine vergleichende Charakterisierung der Abbauprodukte.

Reduktion der biologischen Kontamination von Kühlschmierstoffen mit Ultraschall/Ozon

In verschiedenen Projekten haben wir die Verlängerung der Standzeit von Kühlschmierstoffen ohne toxische Chemikalien und die Verbesserung ihrer Qualität anvisiert. Hierzu wurden neue physikalische Technologien wie fokussierte Ultraschallkavitation, die Anwendung gepulster elektrischer und elektromagnetischer Felder sowie sonochemische und nassoxidative Verfahren untersucht.

Für Ihr Abwasser entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen

 

Oxidationsreaktor zur Elimination von Mikroschadstoffen in Abwässern

Der Abbau von menschengemachten Schadstoffen in geringen Konzentrationen, sogenannten organischen Spurenstoffen oder Mikroschadstoffen, erlangt in der Wasseraufbereitung zunehmend Priorität. In der Schweiz ist der entsprechende Ausbau größerer Kläranlagen bereits verpflichtend.

Unsere Entwicklung

  • Preiswerte Alternativen/Kostensenkung
  • Kundenspezifische AOP-Performanz
  • Lösungen für persistente Stoffe
  • Chemikalienfreie, ungiftige, ungefährliche Prozesse und Systeme

Ihre Vorteile

  • Konstruktion auf Basis wissenschaftlichen Know-hows
  • Umfassendes Technologie-Portfolio
  • Industrierelevante Eigendaten und Testsysteme
  • Interdisziplinäres Team mit umfassender Erfahrung in der Prozess-/System-Entwicklung
  • Modular kombinierbare Technologien sowie exklusive Technologien
  • Angewandte Elektrochemie mit industrierelevanter Umsetzung
  • One-Stop-Shop

Unsere Leistungen

  • Informationsbasis für Beratungen
  • Entscheidungsunterstützung und Handlungsempfehlung
  • Parameter für Konstruktionen
  • Performanz-Daten für Auslegungen
  • Technologietransfer und Systementwicklung

Gerne erstellen wir Ihnen ein individuelles Angebot.

 

AOP-Pilotanlage

An unserer Forschungsanlage entwickeln wir für Kunden optimierte oxidative Verfahren. Die modularen Einheiten (Ozongenerator, Ozonreaktor, UV-Reaktor, Ultraschall-Einheiten, Elektrolysezelle) sind frei kombinierbar.

Ihre Herausforderungen

  • Benötigte Wasserverbrennung ist zu teuer
  • Teure Gebühren für das Einleiten persistenter Stoffe
  • Test der Machbarkeit von AOP
  • Evaluation des besten spezifischen AOP
  • Hohe Leistungsfähigkeit von AOP benötigt
  • Prozesswasser beinhaltet persistente Stoffe
  • Etablierte Prozesse bedürfen eines hohen Einsatzes von Chemikalien, sind giftig und gefährlich

Kombination und Integration oxidativer und elektrolytischer Verfahren

EpF-Reaktor
Kontinuierlich arbeitender EpF-Reaktor zur Behandlung von bis 5m 3h Prozessabwasser.

Oxidative und adsorptive Verfahren und die elektrophysikalische Fällung (EpF) können je nach Aufgabenstellung kombiniert werden. Dadurch können Ergebnisse erzielt werden, die über die Summe der Einzelprozesse hinausgehen. Ein Vorteil dieser Prozesse liegt darin, dass sie für einen Standby-Betrieb geeignet und jederzeit zu- und abschaltbar sind. Die Integration in bestehende Anlagen und die Automatisierung bis hin zum autonomen Betrieb oder zur Fernsteuerung sind problemlos möglich. So kann beispielsweise die kontinuierliche Online-Erfassung des organischen Kohlenstoffs (TOC, total organic carbon) eine bedarfsabhängige und folglich energieoptimierte Aufbereitung gewährleisten.

Wasserreinigung: Abbau von Spurenstoffen und hartem CSB

»Der Spurenstoff des Monats« scherzten Chemiker in der Wasseranalyse, wenn sie einen der vielen bisher unbenannten, aber wiederholt auftretenden Berge im Analysespektrum eines Kläranlagenablaufs zum ersten Mal eindeutig einer Substanz zuordnen konnten. Ist die Substanz menschengemacht und möglicherweise gesundheitsschädlich, kann das dann schon mal eine Medienwelle und, bei entsprechendem Schadenspotenzial, auch eine Messungswelle sowie politische Initiativen auslösen.

Geregelte Überwachung von Spurenstoffen im Wasser

Europaweit wird systematischer vorgegangen. Die REACH-Verordnung, Monitoring-Listen der EU, regelmäßige Berichterstattung im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie und periodisch anstehende Aktualisierungen der EU-Verordnungen für Trinkwasser und Kommunalabwasser haben Risiken von Abwasserinhaltsstoffen für Mensch und Umwelt und Gesamtsysteme im Blick. Die Grenzwerte der EU-Richtlinien werden sodann sukzessive auch in deutsches Recht übernommen. In Deutschland wurde 2021 zusätzlich das nationale Spurenstoffzentrum des Bundes gegründet, das Interessensgruppen zielorientiert zusammenbringt, um kritische Substanzen zu reduzieren.

Zahlreiche deutsche Kläranlagen bauen derzeit bereits vorsorglich eine erweiterte Wasseraufbereitungsstufe, die sogenannte vierte Stufe – üblicherweise entweder mit Ozonbehandlung und Filtration oder mit Aktivkohleadsorption, um mehr Spurenstoffe aus dem Abwasser zu entfernen. Pflicht ist dies bisher nur in der Schweiz oder an Kläranlagen, die das Wasser indirekt wieder in ein Trinkwasserreservoir einspeisen.

Doch die Listen mit zu überwachenden Substanzen werden länger und auch die Listen mit potenziell besorgniserregenden Einzelsubstanzen. Gerade wird intensiv erforscht, wie sich die eindeutig menschengemachten und nachweislich teilweise gesundheitsschädlichen per- und polyfluorierten Stoffe (PFAS) vermeiden, ersetzen und entfernen lassen.

Das IGB forscht mit und bietet unabhängige Beratung

Das Fraunhofer IGB bietet Industrie und Kommunen unabhängige wissenschaftliche Beratung zum Thema Schadstoff- und Spurenstoffentfernung. Regelmäßig erproben unsere Techniker den Abbau von biologisch nicht abbaubaren organischen Substanzen mittels Ozon- und UVC-H2O2. Denn diese Substanzen, der sogenannte harte CSB (hard COD), stehen einer internen Kreislaufführung in der Industrie sonst im Wege. Unsere Ingenieure und Wissenschaftler vergleichen diese Behandlungen mit den jeweils möglichen Alternativen für die industriellen Abwasserströme der Kunden, z. B. Filtrationsmethoden und Adsorptionsmethoden.

Die Weiterentwicklung von hochinnovativen, neuen Technologien und die kritische Analyse ihrer Umwelteffizienz gegenüber dem Stand der Technik bearbeiten wir mit unseren Forschungspartnern in mehreren, zum Teil öffentlich geförderten Projekten. Schadstoffabbau in Konzentrationen von einigen hundert mg/l bis hin zu wenigen ng/l erreichen wir mit Plasmaoxidation, Elektrooxidation, 172-nm-UV-Strahlung und UVA- oder Sonnenlicht-induziertem katalytischen Abbau. Effizient ist die Behandlung dort, wo Vermeidung oder biologische Behandlung nicht zielführend sind.