Die Rückführung von Pulveraktivkohle verbessert die Adsorption organischer Mikroverunreinigungen in Membranhybridverfahren

Verborgene Chemikalien aus städtischem Abwasser entfernen

Jedes Mal, wenn wir uns die Hände waschen, Medikamente einnehmen oder Wäsche waschen, gelangen winzige Spuren von Chemikalien aus unseren Haushalten in Kläranlagen. Viele dieser sogenannten „Mikroverunreinigungen“ entgehen der Standardbehandlung und gelangen zurück in Flüsse und Seen. Diese Studie untersucht einen intelligenten Weg, bestehende Anlagen so nachzurüsten, dass sie mehr dieser unsichtbaren Kontaminanten erfassen — und das mit weniger Material- und Energieaufwand, als man vielleicht erwartet.

Eine neue Schicht zur konventionellen Behandlung

Moderne europäische Vorschriften verlangen inzwischen von vielen Abwasseranlagen eine zusätzliche „quartäre“ Behandlungsschritt, um organische Mikroverunreinigungen wie Arzneimittelrückstände und Industriechemikalien zu entfernen. Eine vielversprechende Option kombiniert sehr feine Siebmembranen mit pulverisierter Aktivkohle, einem porösen schwarzen Material, das wie ein Schwamm für Spurengifte wirkt. In der hier untersuchten Pilotanlage durchlief das Abwasser zunächst eine konventionelle biologische Stufe, in der Mikroben einen Großteil der leicht abbaubaren Verschmutzung abbauen. Anschließend wurde das Wasser einer Ultrafiltrationsstufe zugeführt, wobei die Pulverkohle direkt in die Zulaufleitung und auf die Membranoberfläche eingemischt wurde, anstatt in einem großen separaten Kontaktbehälter. Dieses kompakte Design spart Platz, lässt der Kohle aber nur Sekunden bis Minuten, um ihre Arbeit zu tun — eine harte Herausforderung, wenn es darum geht, hartnäckige Spurenstoffe einzufangen.

Die gleiche Kohle zweimal nutzen

Die Forschenden prüften, ob sich dieselbe Menge Pulverkohle durch Rückführung im Prozess effizienter nutzen lässt, bevor sie schließlich mit dem Schlamm entfernt wird. In ihrem Aufbau wurden Kohlepartikel, die sich in der Membranstufe teilweise mit Mikroverunreinigungen beladen hatten, während des Membran-Rückspülens aufgefangen und zurück in die vorgelagerten biologischen Becken gepumpt. Dort blieben sie viele Stunden bis Tage in Kontakt mit Wasser, das noch höhere Konzentrationen an Spurenstoffen enthielt. Diese gegenläufige Anordnung — wobei frisches Wasser vorwärts fließt und die Kohle rückwärts kreist — ähnelt im Prinzip effizienten Wärmetauschern und hilft, die treibende Kraft für die Adsorption hoch zu halten. Pilotversuche zeigten, dass die feine Pulverkohle mit dieser Rückführung das Ziel von 80 % Entfernung für regulierte Mikroverunreinigungen mit nur etwa der Hälfte der zuvor benötigten Kohledosierung erreichte.

Warum kleinere Kohlepartikel und lange Kontaktzeiten wichtig sind

Um zu verstehen, warum dieser Ansatz so gut funktioniert, führte das Team Labortests durch, in denen „feine“ Kohlepartikel mit deutlich kleinerer Korngröße mit konventionellen verglichen wurden. Die kleineren Partikel nahmen organische Moleküle schneller auf und erreichten innerhalb von 48 Stunden eine höhere Gesamtbeladung, weil mehr ihrer inneren Oberfläche zugänglich ist. Im kompakten Inline-System erlaubten die kurze Rohrstrecke und die Membrankuchenschicht der feinen Kohle jedoch, nur etwa die Hälfte bis zwei Drittel ihrer maximalen Beladung zu erreichen. Indem diese teilweise beladene Kohle zurück in die biologische Stufe für viele zusätzliche Stunden geführt wurde, konnte die verbleibende Kapazität genutzt werden, statt verloren zu gehen. Im Gegensatz dazu gab ein traditionelleres Verfahren mit großem separatem Kontaktbehälter (der sogenannte Ulm‑Prozess) der Kohle bereits genügend Zeit, sich vollständig zu beladen, sodass eine Rückführung stromaufwärts kaum zusätzlichen Nutzen brachte.

Verschiebung, wo und wie Schadstoffe entfernt werden

Detaillierte Messungen einzelner Chemikalien zeigten, dass die Rückführung einen großen Teil der Mikroverunreinigungsentfernung in die biologischen Becken verlagerte, obwohl sich die Messwerte der gesamten organischen Kohlenstoffe nur geringfügig änderten. Verbindungen, die sich leicht an Kohle binden, wie Benzotriazol, wurden praktisch vollständig entfernt, bevor sie die Membran erreichten, und hartnäckigere Substanzen wie Candesartan zeigten bei Rückführung der Kohle weiterhin eine deutliche zusätzliche Reduktion. Gleichzeitig blieb der gesamte gelöste organische Kohlenstoff nahezu konstant, was darauf hindeutet, dass der Prozess selektiver für Spurengifte gegenüber der Hintergrundorgankohle wurde. Die Studie fand außerdem, dass standardisierte optische Messungen, die oft als schnelle Surrogate für die Entfernung von Mikroverunreinigungen verwendet werden, auch unter diesen Betriebsbedingungen nützlich bleiben, und die Autorinnen und Autoren schlagen einfache „Bonus“-Entfernungswerte vor, die Ingenieure bei der Planung von Vollskalensystemen mit Kohlerückführung berücksichtigen können.

Was das für künftige Klärwerksnachrüstungen bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft, dass intelligentes Prozessdesign genauso wichtig sein kann wie die Entwicklung neuer Materialien, wenn es um die Reinigung von Wasser geht. Indem man derselben Charge Pulverkohle das Wasser zweimal sehen lässt — zunächst kurz an der Membran, dann längere Zeit in den biologischen Becken — kann die Anlage die strengen neuen europäischen Vorgaben zur Entfernung von Mikroverunreinigungen mit bis zu 50 % weniger Kohle erfüllen. Die Studie zeigt, dass solche Membran‑Kohle‑Hybride im Langzeitbetrieb stabil sein können, sich in bestehende Behandlungsanordnungen einfügen und sogar einige Schlammeigenschaften verbessern, und das alles bei der Produktion von Wasser, das für Anwendungen wie Baden oder nicht trinkwasserbezogene Wiederverwendung sauber genug ist. Kurz gesagt: Eine klügere Zirkulation eines bewährten Materials bietet einen praktikablen Weg, Flüsse und Seen vor der chemischen Signatur des Alltags zu schützen.

Zitation: Zimmermann, M., Staaks, C., Hoffmann, M. et al. Recirculation of powdered activated carbon improves the adsorption of organic micropollutants in membrane hybrid processes. npj Clean Water 9, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00561-y

Schlüsselwörter: Abwasserbehandlung, Mikroverunreinigungen, Pulveraktivkohle, Ultrafiltrationsmembranen, Wiederverwendung von Wasser