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Das Vorhandensein von Mikroschadstoffen und deren Umwandlungsprodukten (Metaboliten) in Wasserressourcen stellt ein wachsendes Problem dar, das durch analytische Fortschritte und die kontinuierliche Anpassung der Gesetzgebung noch verschärft wird. Chlorothalonil-Metaboliten (m-CTL), die als potenziell krebserregend [1] und persistent gelten, sind in den letzten Jahren aufgrund ihres Vorkommens in zahlreichen Ressourcen in der Schweiz und in Frankreich in den Fokus gerückt [2, 3].
Um diese persistente Moleküle zu bekämpfen, scheint die Adsorption an Aktivkohle (AK) im Gegensatz zu vielen anderen Behandlungsverfahren wie Ozonierung und fortgeschrittener Oxidation eine wirksame Lösung zu sein [4]. Allerdings machen diese Adsorbentien, die grösstenteils nicht erneuerbaren Ursprungs sind und eine energieintensive Produktion erfordern, den grössten Anteil an den Betriebskosten und den Umweltauswirkungen dieser Technologie aus. Die Minimierung der eingesetzten Mengen an Aktivkohle ist deshalb von entscheidender Bedeutung.
Für dieses Ziel wurden mehrere technische Verbesserungen an herkömmlichen AK-Adsorptionsprozessen vorgenommen; einschliesslich der LUCA- und CarboPlus®-Prozesse, die jeweils körnige (GAK, 0,5 bis 2 mm) resp. mikrokörnige (µGAK, 0,3 bis 0,8 mm) Aktivkohle verwenden, deren Leistung zur Eliminierung von m-CTL kürzlich beschrieben wurde [5].
Zu diesen Innovationen gehört auch das von Membratec entwickelte SPAK-UF-Verfahren, das die Adsorption von Mikroschadstoffen an superfeiner Aktivkohle (SPAK, 0,001 bis 0,003 mm) mit Ultrafiltration koppelt. Das Prinzip dieser Technologie besteht darin, den Zugang zu den Adsorptionsstellen mittels Verkleinerung des Adsorptionsmittels zu erleichtern. Dadurch werden die Adsorptionskinetik von Mikroschadstoffen und die Adsorptionskapazität erhöht, was den Verbrauch an Aktivkohle reduziert.
In diesem Artikel werden die Ergebnisse der im Jahr 2022 durchgeführten Pilotversuche im Grundwasserwerk der Seeländischen Wasserversorgung (SWG) in Worben vorgestellt. Das Hauptziel bestand darin, die Leistung von drei Adsorptionsprozessen unter Verwendung unterschiedlicher AK-Korngrössen (SPAK, PAK und GAK) zur Entfernung der am häufigsten vorkommenden Chlorothalonil-Metaboliten, R471811 und R417888, zu bewerten. Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse wurde zudem ein ökonomischer und ökologischer Vergleich durchgeführt.
Die SKAP-UF-Technologie hat sich bereits im Abwasserbereich zur Spurenstoffelimination bewährt [6,7]. Im Trinkwasserbereich fehlen bisher entsprechende Praxiserfahrungen. Die vorliegenden Tests stellen somit eine Premiere im Bereich der Trinkwasseraufbereitung dar.
Die SWG ist ein Gemeindeverband im Kanton Bern. Sie versorgt 20 Verbandsgemeinden (33’000 Einwohner) und verschiedene Vertragspartner (29’000 Einwohner) südöstlich des Bielersees mit Trink-, Brauch- und Löschwasser (3'200’000 m3 verteilt im Jahr 2022). Die SWG nutzt zwei Grundwasservorkommen im Schweizer Mittelland, die beide Chlorothalonil-Rückstände zeigen: die Grundwasserfassungen in Gimmiz mit einer der SWG zustehenden Kapazität von 12’000 l/min weisen die Metaboliten R471811 und R417888 in Konzentrationen von 0,05 bis 0,5 resp. 0,05 µg/l auf, während die Fassung in Worben mit einer Kapazität von 8'000 l/min deutlich stärker betroffen ist und deshalb derzeit ausser Betrieb steht. Hier liegen die Konzentrationen bei etwa 1,8 µg/l für R471811 und 0,2 µg/l für R417888. Die Konzentrationen dieser Metaboliten überschreiten den Höchstwert der TBDV, der für alle als relevant eingestuften Metaboliten bei 0,1 µg/l liegt.
Seit diese Kontamination im Jahr 2019 entdeckt wurde, suchte die SWG nach einer Lösung, um die m-CTL-Konzentrationen unter den Höchstwert von 0,1 µg/l zu senken. Im Jahr 2020 hat Membratec durch Pilotversuche in Worben gezeigt, dass Umkehrosmose ein wirksames Verfahren ist, mit dem mehr als 98 % der m-CTL eliminiert werden können [4]. Dieses Verfahren weist jedoch mehrere Nachteile auf: (1) es ist energieintensiv, (2) es erfordert möglicherweise eine Remineralisierung des aufbereiteten Wassers und (3) es erzeugt 20 bis 25 % Abwasser mit aufkonzentrierten Schadstoffen, dessen Behandlung ebenfalls Energie erfordert und dessen Entsorgung aus Umweltsicht Fragen aufwirft. Dieser letzte Punkt führte im Mai 2023 dazu, dass diese Verfahrensoption aufgegeben wird.
Gleichzeitig wurden andernorts in der Schweiz mehrere Pilotversuche zu AK-Adsorptionsprozessen durchgeführt [5,8] und die SWG beauftragte u.a. die Firmen RWB und Membratec, um die Wirksamkeit verschiedener AK-Verfahren zur Eliminierung von m-CTL aus dem Rohwasser zu bewerten.
Die Pilotversuche wurden zwischen Januar und September 2022 in der Pumpstation Worben durchgeführt, wo das Rohwasser der Fassungen in Gimmiz und Worben zugeführt wird. Um die Versuchsbedingungen der zukünftigen Aufbereitungsanlage zu reproduzieren, wurden die Pilotinstallationen mit einer Mischung von 75 % Wasser aus Gimmiz und 25 % Wasser aus Worben gespiesen; mit durchschnittlichen Konzentrationen von 0,98 µg/l R471811 und 0,11 µg/l R417888.
Der vor Ort installierte SPAK-UF-Pilot umfasst zwei separate Adsorptionstanks, gefolgt vom Ultrafiltrations-Pilotanlage (Abb. 1). Die SPAK wird dem zu behandelnden Wasser zunächst in einem 250 Liter fassenden Kontakttank (zweiter Tank) zudosiert, dessen einstellbarer Füllstand es ermöglicht, die Kontaktzeiten zwischen 5 und 60 Minuten zu variieren. Ein Bypass erlaubt zudem die Prüfung kürzerer Kontaktzeiten (< 30 Sekunden). Die SPAK-Partikeln, an denen die Mikroschadstoffe sowie weitere im Wasser vorhandene Stoffe (Partikel, Mikroorganismen) adsorbiert sind, werden dann auf den Ultrafiltrationsmembranen (INGE-Multibore, Trennschwelle 0,02 µm) zurückgehalten. In regelmässigen Abständen werden die SPAK-Partikeln (sowie andere zurückgehaltene Schwebstoffe) durch die Rückspülung der Membran entfernt. Dieses Rückspülwasser kann in den ersten Tank (d.h. Stromaufwärts des Zudosierung frischer SPAK) zurückgeführt und wiederverwendet werden, oder in die Kläranlage abgeleitet werden. Die Herstellung von SPAK erfolgte durch Nassvermahlung aus PAK oder GAK im Labor von Membratec. Die konzentrierte SPAK-Lösung wurde dann zum Standort transportiert. Die Pilotanlage ist vollständig automatisiert und mit Instrumenten ausgestattet, um Durchfluss, Drücke, Trübung und UV-Absorption bei 254 nm des Roh- und gefilterten Wassers online zu überwachen.
Die Tests mit pulverförmiger Aktivkohle (PAK) wurden mit der gleichen Pilotinstallation und den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben durchgeführt; jedoch ohne vorgängiges Vermahlen der PAK.
Die GAK-Filtrationstests wurden mit sechs PVC-Säulen mit einem Durchmesser von 15,4 cm und einer GAK-Gesamtfilterhöhe von 200 cm durchgeführt (Abb. 2). Die Installation ermöglichte die parallele Testung verschiedener Konfigurationen (Art der Aktivkohle, hydraulische Geschwindigkeit, Filtermodus). Der vorliegende Artikel beschränkt sich jedoch auf die Ergebnisse der Testsäule, die mit der Aktivkohle F400 befüllt war und mit einer hydraulischen Geschwindigkeit von 7 m/h durchströmt wurde.
Die Eigenschaften der verwendeten Aktivkohlen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Kohle Calgon Filtrasorb 400 (F400) wurde in ihrer gröbsten (GAK) und feinsten (SPAK) Version getestet, während die Kohle Dolder AC Pure D PB 170 (PB170) als PAK und SPAK eingesetzt wurde.
Tabelle 1. Eigenschaften der verwendeten Aktivkohlen
Die Wasserproben wurden dem Rohwasser und am Auslass jedes Prozesses entnommen, um die Reduktion der m-CTL und die UV-Absorption bei 254 nm (UV254) zu bestimmen, ein Indikator für die im Wasser gelösten organischen Stoffe. Die UV254-Werte wurden ausserdem kontinuierlich im Rohwasser jedes Piloten und im Ultrafiltrationspermeat überwacht, um die Laboranalysen zu validieren und die Schwankungen der Rohwasserqualität im Laufe des Tests zu bewerten. Die Konzentration der zudosierten SPAK wurde während jeder Analysekampagne durch Messungen der Durchflussrate der SPAK-Dosierpumpe und der Trockensubstanz der konzentrierten SPAK-Lösung validiert.
Die Rohwasserqualität blieb während den Tests relativ stabil, obwohl die Konzentration des Metaboliten R471811 zwischen April und September 2022 leicht abnahm; von 1,2 µg/l auf 0,7 µg/l. Diese Variation scheint umgekehrt mit der Temperatur zu korrelieren (Abb. 3). Angesichts der hohen Stabilität und Mobilität dieses Schadstoffs in der Umwelt [9] dürfte diese Variation mit der Grundwasserneubildung in Gimmiz zusammenhängen, welche ihrerseits durch den Abfluss und Wasserstand der Aare im Hagneck-Kanal beeinflusst wird. Die R417888-Werte schwankten um 0,1 µg/l, mit einem im März gemessenen Höchstwert von 0,15 µg/l. Der durch die UV254-Messung ermittelte Gehalt an organischer Substanz blieb stabil bei durchschnittlich 0,56 m-1. Dieser Wert entspricht für dieses Wasser einem Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) von 0,3 mgC/l, was für eine natürliche Ressource sehr niedrig ist.
Die Tests mit dem SPAK-UF-Pilotanlage fanden über einen Zeitraum von 2,5 Monaten im Sommer 2022 statt. Während dieser Pilotphase wurden mehrere Schlüsselparameter des Verfahrens optimiert.
Nach einem Adsorptions-/Filtrationszyklus kann die auf der Membran zurückgehaltene SPAK entweder in die Kanalisation abgeleitet oder in Ergänzung zu zudosierter Frischkohle teilweise wiederverwendet werden. Ziel der Rezirkulation ist es, die Adsorptionsfähigkeit der Kohle optimal auszuschöpfen, bevor sie entsorgt wird. Dank der Rezirkulation wurde bei einer Dosis frischer Kohle von 8 mg/l und einer Kontaktzeit mit der Frischkohle von 6 Minuten eine um 30 % stärkere Reduktion der R471811-Werte erreicht als ohne Rezirkulation. Für die restlichen Tests wurde eine Rezirkulationsrate von mehr als 10 (d.h. der Kohlenstoff wird mindestens 10-mal rezirkuliert) beibehalten, um das Adsorptionsvermögen der SPAK optimal auszunutzen.
Die Kontaktzeit zwischen Wasser und Aktivkohle ist ein entscheidender Parameter jedes Adsorptionsprozesses, da er die Grösse einer Anlage und den Kohlenverbrauch beeinflusst. Eine zu kurze Kontaktzeit erfordert grössere Kohlenmengen, um eine bestimmte Reinigungswirkung zu erzielen, während eine lange Kontaktzeit sehr grosse Kontaktbecken erfordern kann. Tatsächlich hängt die Zeit, die erforderlich ist, um die maximale Adsorptionskapazität (und damit die effiziente Nutzung der Aktivkohle) zu erreichen, insbesondere von der Diffusion der im Wasser vorhandenen Substanzen zur Oberfläche und in die Poren der Aktivkohle ab. Durch die Reduzierung der Korngrösse wird die Diffusionsstrecke der Mikroverunreinigungen zur Kohleoberfläche verringert und somit die Adsorptionskinetik beschleunigt. Dieser Parameter ist umso relevanter für schlecht adsorbierbare Substanzen, wie zum Beispiel den Metaboliten R471811, dessen Adsorption und Diffusion in den Poren der Aktivkohle ungünstiger ist.
Aufgrund der geringen Korngrösse der SPAK und der beschleunigten Adsorptionskinetik wurden sehr kurze hydraulische Kontaktzeiten getestet, die 30 Sekunden bis 6 Minuten für Frischkohle und 6 bis 12 Minuten für rezirkulierte Kohle (Gesamtkontaktzeit) betrugen. Bei einer ähnlichen Dosis zeigten diese Versuche keinen signifikanten Unterschied in der Leistung, was darauf hindeutet, dass keine suboptimale Kontaktzeit mit SPAK erreicht wurde und dass sogar kürzere Kontaktzeiten prüfenswert sind. In einer grosstechnischen Anlage wäre es daher möglich, sich auf ein Kontaktbecken und eine Kontaktzeit von 6 Minuten oder weniger zu beschränken.
Verschiedene Tests wurden durchgeführt, während Grösse, Ursprung und Dosis der Aktivkohle variiert wurden. Dabei wurden – bei einer Kontaktzeit von 6 Minuten in jedem Tank – frische Kohle (Tank 2) und rezirkulierte Kohle (Tank 1) zudosiert. Der Leistungsvergleich hinsichtlich der Reduktion der R471811-Werte mit PB170-Kohle zeigt, dass die Feinpartikel der SPAK unter den untersuchten Bedingungen 30 bis 40 % wirksamer sind als jene der PAK (Abb. 4). Die erforderliche Dosis, um die R471811-Konzentration unter 0,1 µg/l zu senken, beträgt 9 mg/l für SPAK und 16 mg/l für PAK.
Auch der Ursprung der Aktivkohle beeinflusst die Adsorptionsleistung: Tests mit steinkohlebasierter Aktivkohle (F400) in SPAK-Form zeigen bei gleicher Partikelgrösse eine bessere Effizienz als die getestete holzbasierte Aktivkohle (PB170). Tatsächlich reicht eine Dosis von 3,5 mg/l SPAK F400 aus, um die R471811-Konzentration unter 0,1 µg/l zu senken. Demgegenüber adsorbiert die holzkohlebasierte Kohle (PB170) R471811 weniger stark, führt jedoch insgesamt zu einer höheren Reduktion der organischen Stoffe (siehe unten). Dies könnte auf grössere Poren hinweisen, die sich für den Rückhalt kleiner Moleküle wie m-CTL weniger gut eignen. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, mehrere Aktivkohlen im Rahmen von Pilotversuchen zu testen, um das bestgeeignete Adsorptionsmittel zu ermitteln; in Abhängigkeit der gegebenen Wasserqualität und der zu eliminierenden Mikroschadstoffe.
Der Pilot wurde mit hohem Durchfluss (zwischen 85 und 95 l/(std∙m2) betrieben und die Membranpermeabilität blieb während der gesamten Pilotphase über 1000 l/(std∙m2∙bar). Es waren keinerlei chemische Reinigungen erforderlich; bei gleichzeitig sehr geringen Wasserverlusten für Rückspülungen und den Austrag der Aktivkohle (< 0,5 %).
Im Pilotprojekt wurde die SPAK-Lösung nach ihrem Einsatz in die Kanalisation entwässert. In einer grosstechnischen Anlage ist es jedoch denkbar, die gebrauchte SPAK wiederzuverwenden, um im Abwasser vorhandene Mikroschadstoffe zu adsorbieren, wie dies kürzlich für das CarboPlus-Verfahren gezeigt wurde [5]. Die so wiederverwendete SPAK kann dann in den Klärschlamm eingearbeitet werden, bevor sie extrahiert und verbrannt wird. Je nach den örtlichen Gegebenheiten kann SCAP-Schlamm alternativ vor Ort konzentriert und dann direkt in die Schlammbewirtschaftungskette einer Kläranlage eingebracht werden.
Die Abbildung 5 vergleicht die Durchbruchskurve des Metaboliten R471811 im GAK-Festbettfilter für zwei verschiedene Höhen (50 und 100 cm). Bedingt durch die begrenzte Versuchsdauer konnten bei Höhen von 150 und 200 cm keine Durchbrüche beobachtet werden (Konzentrationen unterhalb der Bestimmungsgrenze). Im Gegensatz zu den früheren Testergebnissen mit Wasser aus der Fassung in la Vernaz [5] scheint die Kontaktzeit bei der Retention von R471811 eine Rolle zu spielen. Bei einer Kontaktzeit von 4,3 Minuten (50 cm GAK) erfolgt der Durchbruch bei der Worbener Wassermischung nach der Filtrierung von 36 m3 Wasser/kg AK, resp. 51 m3/kg AK bei einer Kontaktzeit von 8,6 Minuten (100 cm GAK). Im Versuch von la Vernaz kam es bei gleichen hydraulischen Verhältnissen im doppelt so stark mit organischen Stoffen belasteten Grundwasser (CSB von ca. 0,6 mg C/l) nach 25 bis 30 m3/kg F400-Kohle zum Durchbruch, was die Konkurrenz um Adsorptionsstellen verdeutlicht.
Schliesslich zeigen alle durchgeführten Analysen, dass die Metaboliten R417888 und Desphenyl-Chloridazon, die im Rohwasser in einer durchschnittlichen Konzentration von 0,10 und 0,38 µg/l vorhanden sind, im gefilterten Wasser keine höheren Konzentrationen als die Bestimmungsgrenze (0,01 µg/l) aufweisen, unabhängig von den untersuchten Behandlungsbedingungen. Dies belegt, dass einer auf den Metaboliten R471811 ausgerichtete Behandlung auch andere Metaboliten in diesem Konzentrationsbereich zu eliminieren vermag.
Die wichtigste Lehre aus den parallelen Pilotierungen der GAK-, PAK-UF- und SPAK-UF-Verfahren mit demselben Rohwasser ist die Bedeutung der AK-Korngrösse für die Adsorption des Metaboliten R471811. Die Abbildung 6 zeigt für den Fall Worben und für die verschiedenen untersuchten Prozesse, wie viel Wasser ein Kilo AK behandeln kann, bevor die Kohle erneuert werden muss. Bei der getesteten Wassermischung mit einer geringen Konzentration an organischem Material hat die Aktivkohle F400 eine mindestens fünfmal höhere Behandlungskapazität, wenn sie in Form von superfeinem Pulver (SPAK F400) statt in Form von Granulat (CAK F400) eingesetzt wird. Ähnliches zeigt die Aktivkohle PB170, wo die Kapazität des superfeinen Pulvers (SPAK) 1,8-mal höher liegt als jene des Pulvers (PAK).
Durch die Verwendung feiner SPAK-Partikel werden die Diffusionswege innerhalb der Partikel drastisch verkürzt und so die Adsorptionskinetik beschleunigt, wodurch eine Annäherung an die maximale Kapazität der Aktivkohle erfolgt. Diese Aspekte sind für schlecht adsorbierbare Mikroschadstoffe wie R471811 von Bedeutung. Schliesslich werden auf SPAK die Konkurrenz und die Möglichkeit einer Porenblockierung durch organische Stoffe minimiert, indem die Kinetik beschleunigt und die äussere Oberfläche der Aktivkohle vergrössert wird [10]. Die so beobachteten signifikanten Unterschiede zwischen SPAK, PAK und GAK im Wasser von Worben könnten für Gewässer, die stärker mit organischer Substanz belastet sind, ähnlich sein. Derzeit laufen Tests mit Seewasser, um diese Hypothese zu bestätigen.
Organisches Material kommt natürlicherweise im Grund- und Oberflächenwasser vor und besteht aus Substanzen, die für den Menschen in den, in der Umwelt vorkommenden Konzentrationen, ungiftig sind. Bei Adsorptionsprozessen an Aktivkohle ist organisches Material jedoch unerwünscht, da es die Adsorption von Mikroschadstoffen begrenzt, indem es selbst die Adsorptionsstellen besetzt oder den Zugang zu Poren physisch blockiert. Dennoch ist es möglich, das Vorhandensein organischer Stoffe zu nutzen, um die Wirksamkeit von Adsorptionsverfahren vorherzusagen. Tatsächlich haben frühere Studien eine gute Korrelation zwischen der Reduktion organischer Stoffe (quantifizierbar durch die kontinuierliche Messung der UV-Absorption bei 254 nm) und der Reduktion von Mikroschadstoffen in der Abwasserbehandlung [11] und Trinkwasseraufbereitung [12] aufgezeigt. Diese Korrelation wurde im Rahmen der Pilotversuche in Worben validiert (Abb. 7). Sie ist unabhängig von der Korngrösse der Kohle, hängt jedoch von der Typ der verwendeten Aktivkohle ab. Wasserversorger können daher organische Stoffe als „Verbündete“ beim Betrieb von Aufbereitungsanlagen betrachten, die es ermöglichen, die ordnungsgemässe Funktion einer Anlage zu überwachen, den Durchbruch einer Filterkolonne vorherzusagen oder die AK-Dosierung in einem SPAK-UF-Verfahren zu steuern.
Die nachstehende Wirtschaftlichkeitsstudie und Umweltbewertung wurden für das SWG-Filterprojekt erarbeitet und beziehen sich auf eine spezifische Rohwasserqualität (Grundwasser, geringer Gehalt an organischem Material, sehr geringe Trübung, konstante Temperatur, 0,98 µg/l R471811), einen spezifischen Aufbereitungsdurchfluss und die Gegebenheiten des bestehenden Gebäudes. Diese Pilotversuche zur Elimination von Chlorothalonil-Metaboliten (m-CTL), die mit Wasser mit geringem Gehalt an organischer Substanz durchgeführt wurden, verdeutlichten die erheblichen Einsparungen an Aktivkohle, die durch die Reduktion der AK-Korngrösse möglich sind. Auch der Energiebedarf, die Anfangsinvestition und die Umweltauswirkungen spielen bei der Wahl der Behandlungstechnologie eine Rolle. Für den Fall der SWG wurde daher eine vollständige Auswertung der Betriebskosten (OPEX) und des CO2-Fussabdrucks durchgeführt, um die drei Verfahrensoptionen integral zu vergleichen (Tabelle 2). Unter Berücksichtigung der Projektkonfiguration mit der Integration der Filteranlage in ein bestehendes Gebäude werden die Investitionskosten der verschiedenen Varianten nicht detailliert angegeben, da sie für andere Projekte nicht relevant sind.
Hybride (S)PAK-UF-Verfahren sind zwar energieintensiver als die GAK-Festbettfiltration, dennoch bleibt das SPAK-UF-Verfahren mehr als doppelt so wirtschaftlich wie die GAK-Filtration und 1,3-mal wirtschaftlicher als das Hybridverfahren ohne Mahlung, bei geringeren Gesamtbetriebskosten von 5,8 Rp./m3 behandeltes Wasser für den SPAK-UF-Prozess gegenüber 12,3 und 7,8 Rp./m3 für GAK und PAK-UF. Die Umwandlung von PAK zu SPAK durch Mahlen macht weniger als 5 % der Betriebskosten aus. Schliesslich hängen die Umweltauswirkungen weitgehend vom Kohleverbrauch und von der Kohleherkunft ab. Der CO2-Fussabdruck für die m-CTL-Elimination nimmt mit der Verringerung der Korngrösse ab, wobei bei der Herstellung von 1 m3 aufbereitetem Wasser im GAK-Verfahren etwa dreimal höhere CO2-Emissionen ausgestossen werden als im SPAK-UF-Verfahren. Es ist zu beachten, dass die hier getestete nicht-fossile Aktivkohle (PB 170 B auf Holzbasis) höhere Dosierungen erfordert, um die Behandlungsziele zu erreichen. Trotz des geringeren CO2-Fussabdrucks erreicht diese Kohle deshalb in der Gesamtbilanz kein besseres Ergebnis als die geringer dosierbare fossile SPAK aus Steinkohle.
Tab. 2 Vergleich von Flächenbedarf, OPEX und CO2-Fußabdruck für die drei Bettverfahren CAG, CAP-UF und SCAP-UF unter Verwendung von F400-Kohle.
Durch die parallele Pilotierung der GAK-Filter, PAK-UF und SPAK-UF im Grundwasser der SWG konnte die Bedeutsamkeit der Partikelgrösse der Aktivkohle für die Adsorption des Metaboliten R471811 aufgezeigt werden: die Verkleinerung des Adsorptionsmittels ermöglicht sowohl eine Beschleunigung der Adsorptionskinetik wie auch eine effizientere Nutzung der Adsorptionsoberfläche der Aktivkohle. Diese Vorteile sind besonders relevant für die Elimination von Stoffen, die schlecht an Kohle adsorbieren und gegenüber Oxidationsverfahren widerspenstig sind. Für den speziellen Fall der SWG, die eine Wassermatrix mit geringem Gehalt an natürlicher organischer Substanz und einer Konzentration des Metaboliten R471811 von 1 µg/l aufweist, ermöglicht das SPAK-UF-Verfahren die eine Reduktion auf 0,1 µg/l R471811 mit einer Dosis von 3,5 mg/l der Aktivkohle F400. Damit liegt der Aktivkohleverbrauch 5-mal tiefer als bei einem klassischen GAK-Festbettfilter. Der SPAK-UF-Prozess ist zwar energieintensiver, senkt aber die Betriebskosten und den CO2-Fussabdruck der m-CTL-Elimination gegenüber dem GAK-Filter um 50 % resp. 65 %.
Der für die Adsorption von R471811 an feinen SPAK-Partikeln beobachtete Vorteil muss noch an Wassermatrizen validiert werden, die höhere Gehalte an organischem Material aufweisen. Aufgrund der beschleunigten Adsorption und der grossen äusseren Oberfläche von SPAK ist davon auszugehen, dass die Adsorption an superfeinen Partikeln im Vergleich zu PAK oder GAK weniger durch die Konkurrenz mit organischem Material beeinträchtigt wird.
Gestützt auf die beschriebenen Pilotversuche wird 2024 in Worben die erste Schweizer Trinkwasseraufbereitungsanlage mit dem SPAK-UF-Verfahren in Betrieb gehen, um Chlorothalonil-Metaboliten aus dem Trinkwasser zu entfernen. Das Verfahren wird ausserdem für die Entfernung anderer problematischer Mikroschadstoffe getestet werden, einschliesslich PFAS.
Wir danken herzlich José Mota für den Aufbau und die Optimierung des Pilots, Ambre Drubay und Matthieu Amos für ihre Unterstützung im Labor und im Betrieb, sowie Alexandre Bagnoud, Christophe Bonvin und Daniel Urfer für ihre Beiträge zum Manuskript.
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