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Uni Stuttgart - Bessere Trinkwasserqualität durch Biopolymere

Biopolymere werden langfristig in Industrie und Alltag Einzug halten, sie sind die Kunststoffe der Zukunft. Das Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart bietet sowohl Anwendungen für Biopolymere in der Wasseraufbereitung als auch eine neue Recyclingstrategie.

Das Anfang der 50er Jahre gegründete Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart ist eine interdisziplinäre Einrichtung an der Ingenieure und Naturwissenschaftler auf dem Gebiet der Umweltschutztechnologien tätig sind.
Am Lehrstuhl für Hydrochemie und Hydrobiologie in der Siedlungswasserwirtschaft, einer Abteilung des ISWA, ist unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Metzger u.a. eine Arbeitsgruppe tätig, die sich mit bioabbaubaren Polymeren (BAP) und ihrer Nutzung in der Wasseraufbereitung befasst. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die Denitrifikation des Wassers.

Einfachtechnologie zur Wasseraufbereitung

Die Nitrat- und Pestizidbelastung im Grundwasser ist weltweit ein Problem. Damit die Qualität des Trinkwassers gesundheitlichen Anforderungen entspricht, ist ein erheblicher technischer und finanzieller Aufwand erforderlich. „Besonders bei kleinen Wasseraufbereitungsanlagen im ländlichen Raum ist dies nicht immer zu gewährleisten. Dies war Anlass für uns, eine Einfachtechnologie zu entwickeln, die nicht nur Nitratelimination, sondern auch eine organische Schadstoffelimination erlaubt“, erklärt Dr.-Ing. Wolf-Rüdiger Müller, Leiter der Arbeitsgruppe.

Bei herkömmlichen biologischen Verfahren zur Denitrifikation siedeln Bakterien auf einem inerten Trägermaterial wie Sand oder Blähton und reduzieren das Nitrat. Mit ihren Enzymen wandeln sie den im Nitrat gebundenen Stickstoff in molekularen Stickstoff um. In dem auch als „Nitratatmung“ bezeichneten Prozess dient das Nitrat anstelle des Sauerstoffs als Elektronenakzeptor. Als Kohlenstoffquelle, also als Substrat, wird meist Ethanol verwendet. Das so vorgereinigte Wasser wird anschließend über eine aerobe Behandlungsstufe und eventuell über einen Aktivkohlefilter zur Entfernung organischer Schadstoffe geführt.

Biopolymere als Bakteriensubstrat

Der Dyna-Sand-Denitrifikations-Reaktor (Nordic-Water) arbeitet mit Poly-ε-Caprolacton © ISWA

Die Arbeitsgruppe am ISWA verwendet anstelle des gelösten Substrats ein Polymer, wie z.B. Poly-ε-Caprolacton (PCL). Es ist biologisch abbaubar, wasserunlöslich und wird von Bakterien als organisches Festsubstrat für die Denitrifikation verwendet; gleichzeitig dient es als Träger für eine bakterielle Besiedlung. „PCL hat einen weiteren Vorteil“, sagt Müller, „es kann Pestizide absorbieren und somit möglicherweise einen Aktivkohlefilter ersetzen. Eine anschließende aerobe Nachreinigung ist jedoch auch hier unerlässlich“. Das Verfahren wird sowohl am ISWA als auch im technischen Maßstab in einem Wasserwerk getestet, mit einem „Rotobioreaktor“ des badischen Unternehmens Formtechnik und mit dem „Dyna-Sand“-Reaktor von Nordic-Water.

Bei Verwendung der Biopolymere als Sorptionsmittel für die Pestizide ergibt sich das Problem des Ausschleusens der mit Schadstoffen beladenen Polymere. „Wir nahmen an, dass ab einer bestimmten Schadstoffbeladung ein weiterer Abbau des Polymers gehemmt wird“, erklärt Müller. Für das Pestizid Endosulfan aber ist die Beladungskapazität des Polymergranulats so groß, dass auch bei einer 100-fach über dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung (TVO 2001) liegenden Pestizid-Konzentration noch keine bakterielle Hemmung nachweisbar war. PCL wurde von den Bakterien verbraucht und Endosulfan wieder freigesetzt. Deswegen sollte ab einer bestimmten Schadstoffbeladung das Polymer durch neues Material ersetzt werden.

Biogasproduktion mit Polymeren

Entsorgung von biologisch abbaubaren Polymeren als Restsubstrat für die Biogasproduktion in Kläranlagen (KA) © ISWA
Recycling von Kunststoffen wird bisher größtenteils über die Kompostierung betrieben. Für die Arbeitsgruppe ist jedoch auch eine andere Form der Entsorgung von bioabbaubaren Polymeren (BAP) denkbar: der Einsatz in Kläranlagen. In Kläranlagen folgt im Anschluss an ein Vorklärbecken eine Denitrifikation des Wassers. Die BAPs könnten hier als Substrat für den denitrifizierenden Belebtschlamm eingesetzt werden. Der bei der Reinigung des Abwassers anfallende Klärschlamm (Biomasse und Reststoffe) wird von Bakterien während der sogenannten anaeroben Schlammfaulung zu Biogas (Methan und Kohlendioxid) abgebaut. Hier könnten bioabbaubare Polymere zusätzlich als Substrat zur Biogasproduktion dienen.

Kompostierung ist nicht die einzige Lösung

Doch woher weiß man, ob ein Material biologisch abbaubar ist? Das ISWA entwickelt dazu neue Testverfahren, mit denen sich die Abbaubarkeit von Polymeren in wässrigen Systemen prüfen lässt. Denn nicht alle Biopolymere können in wässrigem Milieu in unseren Breitengraden mit Temperaturen meist unter 20°C abgebaut werden. „Das bisherige Augenmerk lag vorrangig und unserer Auffassung nach zu einseitig auf der Kompostierung der bioabbaubaren Polymere“, berichtet die Chemikerin Dr. Angela Boley. Das ISWA hat bereits an verschiedenen Normentwürfen für Testverfahren in einschlägigen Gremien mitgewirkt. Dabei wird die Abbaubarkeit der Polymere in wässrigen Systemen unter aeroben, anaeroben und anoxischen Bedingungen geprüft. Hierbei werden eigens für diese Verfahren zum Teil vom ISWA entwickelte, aber auch kommerziell verfügbare und aufgerüstete, Testgeräte eingesetzt. Es ist somit möglich, das Abbaugeschehen bei unterschiedlichen Milieubedingungen und deren Einsatz in z.B. einem Faulturm zur Biogasproduktion zu beurteilen.

Seiten-Adresse: https://www.biooekonomie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/uni-stuttgart-bessere-trinkwasserqualitaet-durch-biopolymere