Entfernung von PFAS aus Grund- und Abwässern durch Elektrosorption /-desorption an modifizier-ten Aktivkohlen und elektrochemischen Abbau „PFAStrea“

Motivation

Die zunehmende Belastung von Grund-, Trink- und Abwässern mit kurzkettigen und hochmobilen Per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) stellt Wasserversorger, Industrie und Behörden vor erhebliche technische und wirtschaftliche Herausforderungen. Insbesondere kurzkettige Verbindungen wie PFBA oder TFA entziehen sich aufgrund ihrer hohen Wasserlöslichkeit, Persistenz und geringen Sorptionsneigung gegenüber konventionellen Aktivkohlefiltern einer effizienten Entfernung. Gleichzeitig verschärfen nationale und europäische Regelwerke, insbesondere die novellierte Trinkwasserverordnung (TrinkwV 2023), die Grenzwerte für die Summe ausgewählter PFAS erheblich. Damit entsteht ein unmittelbarer Handlungsdruck für Betreiber von Wassergewinnungs- und -aufbereitungsanlagen. Derzeit verfügbare Verfahren sind entweder energetisch aufwendig, erzeugen problematische Nebenprodukte oder sind für kurzkettige PFAS nicht ausreichend wirksam. Thermische Regenerationsverfahren führen zu hohen Energie- und Materialaufwand, während elektrochemische Oxidationsverfahren zwar vielversprechend sind, jedoch die Bildung toxischer Halogenoxoanionen wie Perchlorat, Chlorat oder Bromat begünstigen können. Ein ganzheitlicher, modularer Ansatz, der Sorption, gezielte Aufkonzentrierung, elektrochemische Mineralisierung sowie eine nachgeschaltete biologische Eliminierung potenzieller Nebenprodukte kombiniert, ist bislang nicht etabliert. Vor diesem Hintergrund besteht ein dringender Bedarf an einem skalierbaren, energieeffizienten und wirtschaftlich tragfähigen Verfahren, das insbesondere auch kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zugänglich ist. Die Entwicklung eines modularen Systems zur bedarfsgerechten Entfernung und Mineralisierung von PFAS adressiert nicht nur regulatorische Anforderungen, sondern leistet zugleich einen wesentlichen Beitrag zum Gewässerschutz und zur nachhaltigen Ressourcennutzung. Die Motivation des Vorhabens liegt somit in der Schließung einer technologischen Lücke zwischen regulatorischem Anspruch und praktischer Umsetzbarkeit.

Ziele

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Validierung eines modularen Verfahrens zur effizienten Entfernung und vollständigen Mineralisierung von PFAS aus Grund-, Trink- und Prozesswässern. Hierzu sollen drei aufeinander abgestimmte Module konzipiert, optimiert und in einem Demonstratorsystem zusammengeführt werden. Im ersten Modul wird die Elektrosorption an gezielt modifizierten granulierten Aktivkohlen (GAK) entwickelt und optimiert. Durch chemische, thermische oder elektrochemische Modifikation der Kohleoberflächen soll die elektrische Leitfähigkeit erhöht und die Bindekapazität insbesondere für kurzkettige PFAS signifikant verbessert werden. Die reversible Polarisation der Aktivkohle soll eine gezielte Desorption und damit Regenerierbarkeit ermöglichen, wodurch Materialverbrauch und Betriebskosten reduziert werden. Das zweite Modul umfasst die elektrochemische Behandlung der erzeugten Desorbate mittels bordotierter Diamantelektroden (BDD). Ziel ist die vollständige Mineralisierung der aufkonzentrierten PFAS unter Minimierung der Bildung unerwünschter Nebenprodukte. Hierzu werden Prozessparameter wie Stromdichte, Durchflussrate, Elektrolytzusammensetzung und pH-Wert systematisch untersucht und optimiert, um eine hohe Energieeffizienz und Prozessstabilität zu gewährleisten. Das dritte Modul adressiert die mögliche Bildung von Halogenoxoanionen durch eine nachgeschaltete mikrobiologische Behandlungsstufe. Denitrifizierende Mikroorganismen sollen unter kontrollierten Bedingungen Perchlorat, Chlorat und Bromat zu unkritischen Anionen reduzieren. Ziel ist die Gewährleistung einer schadstofffreien Gesamtbehandlung ohne zusätzliche chemische Reagenzien. Übergeordnetes Ziel ist die Demonstration eines integrierten, flexibel einsetzbaren Gesamtsystems, das je nach Schadstoffbelastung angepasst werden kann. Neben der technischen Machbarkeit sollen Energiebedarf, Regenerationszyklen, Materialbeständigkeit und Wirtschaftlichkeit bewertet werden. Langfristig soll das Verfahren so ausgelegt werden, dass es sowohl stationär in Wasserwerken als auch mobil bei temporären Schadensfällen (wie z.B. dem Einsatz von Lösch-Schäumen) eingesetzt werden kann. Mit erfolgreichem Abschluss des Projekts steht ein übertragbares, nachhaltiges und wirtschaftlich skalierbares Konzept zur Verfügung, das Wasserversorgern und Industrieunternehmen ermöglicht, aktuelle und zukünftige Grenzwerte für PFAS sicher einzuhalten und gleichzeitig ökologische sowie ökonomische Anforderungen zu erfüllen.