Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) wollen mit ihrem neuen Projekt den Nachweis erbringen, dass sich eine von ihnen entwickelte innovative Methode zur Aufbereitung industrieller Abwässer in den technischen Maßstab überführen lässt. Als Namensgeber stand die sogenannte hydrodynamische Kavitation (HyKaPro) Pate: Das Verfahren, entwickelt im CLEWATEC Innovation Lab des HZDR, setzt auf ein innovatives Oxidationsverfahren zur Behandlung von Wasser, das Mikroschadstoffe effektiv abbauen kann.
Kläranlagen sind für die Beseitigung von Schadstoffen im Wasser entscheidend. Allein in Deutschland sind rund 10.000 kommunale und 3.000 Industrie-Kläranlagen in Betrieb. Sie stoßen jedoch häufig an Grenzen, wenn es um die Entfernung von chemisch stabilen Verbindungen geht. Dazu zählen auch Substanzen, die nicht zu den bisher im Abwasser-Monitoring priorisierten Schadstoffen gehören. Diese neuartigen Schadstoffe, deren weite Verbreitung in der aquatischen Umwelt erst durch moderne Analysetechniken sichtbar wurde, entpuppen sich in zunehmendem Maße als Problem. Prominente Beispiele dieser äußerst vielfältigen menschengemachten Chemikalien sind bromierte Flammschutzmittel, Kraftstoffzusätze, Umwelthormone oder die aus der Herstellung von Antihaftbeschichtungen bekannten Perfluortenside.
„Unser neues Verfahren hat sich in den bisherigen Versuchen im Labor- und Technikumsmaßstab als äußerst effizient bei der Beseitigung solcher Mikroschadstoff-Moleküle erwiesen. Die Technologie gibt uns ein Werkzeug in die Hand, um der Verschmutzung von Wasserressourcen auch mit diesen nur schwer abbaubaren Verbindungen entgegenzutreten und so einen bedeutenden Beitrag zum Umwelt- und Gesundheitsschutz von Ökosystemen und der Bevölkerung zu leisten“, erklärt Dr. Sebastian Reinecke vom Institut für Fluiddynamik am HZDR und Leiter des Clean Water Technology Lab (CLEWATEC).
Turbo für traditionelle Oxidationsverfahren
Oxidationsverfahren spielen traditionell eine entscheidende Rolle in der Wasserbehandlung, weil sie Schadstoffe durch die Reaktion mit Oxidationsmitteln wirkungsvoll abbauen. HyKaPro setzt zusätzlich auf Kavitationseffekte, um die Oxidationsreaktionen zu intensivieren. Diese Technologie erzeugt durch den Kollaps von Dampfblasen extreme Bedingungen in unmittelbarer Nähe zu den im Wasser mitgeführten Schadstoffen. „Bei der Implosion der Blasen entstehen Temperaturen von 4.700 Grad Celsius und Drücke von 9.900 Atmosphären, die ihrerseits hochreaktive Prozesse auslösen, die zu einer verbesserten Zersetzung der Mikroschadstoffe führen“, erläutert Reinecke. Denn mit dem Platzen der Blasen entstehen gleichzeitig reaktionsfreudige Hydroxylradikale, die an die Schadstoffe andocken und sie in kleine, inaktive Fragmente verwandeln. Um die gewünschte Zahl an Hydroxylradikalen zu optimieren, fügen die Wissenschaftler*innen dem Prozess zusätzlich Ozon hinzu.
Vom Labor in die Anwendung
CLEWATEC ist bereits als Vorreiter für die Entwicklung umweltfreundlicher Wasserreinigungstechnologien etabliert. Ein neuartiges Sauerstoffeintragssystem für biologische Abwasserreinigungsprozesse zeigte im Technikum die doppelte Effizienz von herkömmlichen Systemen und wird derzeit an Kläranlagen validiert. „Wir bauen dabei auf den reichhaltigen Erfahrungsschatz unseres Instituts für Fluiddynamik am HZDR auf. Die hier seit Jahren gewonnenen Erkenntnisse zur Optimierung komplexer Strömungsmodelle kommen uns bei unseren Arbeiten sehr zupass“, freut sich Reinecke.
Mit HyKaPro will das Team nun die hydrodynamische Kavitation aus dem Labor holen und in eine marktreife Technologie verwandeln. In Zusammenarbeit mit Betreibern von Industrie-Klärwerken wollen die Forschenden die technologische Effizienz des Verfahrens nachweisen. Dabei werden sie gemeinsam mit den Projektpartnern die Wirtschaftlichkeit auf den Prüfstand stellen und an einer Verwertungsstrategie feilen. Dabei unterstützt Business Development Manager Alejandro Parra das Projekt im Bereich Technologietransfer. Das für anderthalb Jahre konzipierte Projekt startet im Januar 2024 und wird durch die Sächsische Aufbaubank über die EFRE-Validierungsförderung mit rund 200.000 Euro unterstützt. Das CLEWATEC-Team am HZDR ist zuversichtlich, dass HyKaPro nicht nur die Effizienz der hydrodynamischen Kavitation unter Beweis stellen, sondern auch einen bedeutenden Schritt in Richtung umweltfreundlicher Wasserreinigung gehen wird: sowohl in der kommunalen und industriellen Abwasseraufbereitung als auch in der Landwirtschaft und der Trinkwasseraufbereitung.
Bild oben: HyKaPro-Versuchsanlage zur kavitationsbasierten Mikroschadstoffentfernung. Foto: Tobias Ritz/ HZDR
