Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / M. Langer

Problemstellung:

Das Projekt ACR-Tech wurde im Rahmen der „PPP-IKYDA 2016“-Auschreibung vom Deutschen Akademischen Austausch Dienst (DAAD) bewilligt. IKYDA ist ein bilaterales Forschungsförderprogramm des DAAD und der griechischen State Scholarship Foundation (I.K.Y.) mit dem Ziel, Kooperationen zwischen griechischen und deutschen Forschungsgruppen, insbesondere deren Jungforschern, zu unterstützen. Seit März 2016 besteht ein reger Austausch mit der Aristotles Universität Thessaloniki zur Entfernung von Chrom und Arsen in der Trinkwasseraufbereitung.

• Identifizierung innovativer Technologien (kombiniert mit Membranfiltration) zur effizienten Entfernung von Arsen und Chrom aus schwermetallbelasteten Rohwässern
• Untersuchung ausgewählter Technologien in Pilot-Tests (über mehrere Monate) und Evaluierung ihrer Leistungsfähigkeit und Betriebsstabilität
• Förderung der Mobilität, Weiterbildung und Spezialisierung von Jungforschern
• Intensivierung der Zusammenarbeit zur Vorbereitung  gemeinsamer Folgeprojekte

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / M. Usman, M.Sc.

Problemstellung:

Arsen ist international einer der größten Schadstoffe im kommunalen Trinkwasser und wegen seiner Toxizität und chronischen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit ein weltweites Problem. Um Arsen aus dem Trinkwasser zu entfernen, gibt es verschiedene Techniken, wie z.B. die Adsorption an Adsorbentien auf Eisenoxidbasis. Granuliertes Eisenhydroxid (GEH, Wasserchemie GmbH & Co. KG, Osnabrück) mit individuellen Korngrößenbereichen von 0,320 - 2,0 mm kann in Festbettkolonnen zur kontinuierlichen Medienfiltration eingesetzt werden. Allerdings ist dieses poröse Medium relativ kostenintensiv. Bei der industriellen Produktion von GEH entsteht ein Feinanteil an Körnern mit einer Korngröße von weniger als 0,25 mm, der in kontinuierlichen Filtrationssystemen nicht eingesetzt werden kann, da er zu einer schnellen Verstopfung von Festbettkolonnen führt. Im aktuellen Projekt soll die Arsenentfernung mit Hilfe des Hybrid-Systems der Adsorptions-Niederdruck-Membranfiltration erreicht werden.

Projektbearbeitung:

Margarethe Langer

Problemstellung:

Die Forschungs- und Entwicklungsvorhaben dieser Fördermaßnahme werden durch ein wissenschaftliches Koordinierungsvorhaben (WK INIS) begleitet. Ziele und Aufgaben sind dabei:

• Die Durchführung der Öffentlichkeitsarbeit, wie Internetpräsenz, Informationsbroschüren, Newslettern, Flyern, und Pressmitteilungen.
• Die Vernetzung der Verbundforschungsvorhaben und die Unterstützung des Informationsfluss, insbesondere zu projektübergreifenden Querschnittsthemen.
• Die Organisation von projektübergreifenden Workshops und Statuskonferenzen.
• Die Information der Fachöffentlichkeit über die Fördermaßnahme und ihre Ergebnisse.
• Die Vorstellung von Forschungsergebnissen im Rahmen des bestehenden Bildungsangebots von Difu, DVGW und DWA.
• Die Einbringung der Forschungsergebnisse in das einschlägige Regelwerk.
• Die Unterstützung der Überführung von Forschungsergebnissen in die Anwendung und praktische Umsetzung.

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Dr. Bernd Bendinger / Dipl.-Biol. Thomas Meier

Problemstellung:

In Langzeitversuchen werden in zwei halbtechnischen Versuchsanlagen Trinkwasser-Installationen mit variierenden Betriebsbedingunen simuliert (Werk¬stoffe, Temperatur, DOC, anorg. Nährstoffe). Nachdem die autochthonen Trinkwasser-Biofilme mit P. a. und L. p. kontaminiert wurden, werden ein Reinigungs¬verfahren und gängige Desinfektions¬verfahren durchgeführt. Nach Kontamination und Desinfektion werden Biofilme und Wasserphase mit klassischen und molekularbiologischen (FISH, qPCR) Verfahren untersucht und die fakultativ Pathogenen in ihren kultivierbaren und/oder unkultivierbaren Zuständen quantifiziert. Ziel ist die Ermittlung von Reinigungs- und Desinfektions¬maßnahmen für Trinkwasser-Installationen, die eine nachhaltige hygienische Sicherheit gewährleisten, weil auch unkultivierbare Stadien der pathogenen Organismen inaktiviert werden. Dadurch wird die unerkannte Verbreitung von Pathogenen verhindert und das Infektionsrisiko für den Verbraucher minimiert.
 

siehe Projekthomepage

Erkenntnisse aus dem Projekt „Biofilm-Management“

Executive Summary

Projektleitung / Projektbearbeitung:

M. Langer

Problemstellung:

Chrom findet eine breite Anwendung in industriellen Prozessen, wie z.B. bei der Herstellung von Stahl und anderen Legierungen und in der Textilverarbeitung. In Abhängigkeit von den Produktionsbedingungen gelangen Chromverbindungen in Böden und Grundwässer. Neben der Verunreinigung durch industrielle Aktivitäten spielt regionalbedingt auch die Auswaschung aus chromhaltigen Gesteinen eine große Rolle. In wässrigen Lösungen liegt Chrom in dreiwertiger (Cr(III)) oder sechswertiger Form (Cr(VI)) vor. Während Cr(III)-Verbindungen in geringen Mengen essentiell für bestimmte Stoffwechselprozesse des Menschen sind, werden Cr(VI)-Verbindungen als sehr problematisch angesehen. Die Tatsache, dass Cr(VI) als giftig, potentiell krebserregend und DNA-schädigend eingestuft wurde, hat eine neue Diskussion der geltenden Grenzwerte ausgelöst. In den nächsten Jahren wird eine deutliche Verschärfung des aktuellen Grenzwertes im Trinkwasser von 50 µg/l für Gesamtchrom durch die Europäische Kommission erwartet.

Die chemische Reduktion zu Cr(III) durch Fe(II) kombiniert mit einer Flockung eine weit verbreitete Technik zur Entfernung von Cr(VI). Das entstehende Cr(III) hat eine deutlich geringere Löslichkeit als Cr(VI) und fällt als Chromhydroxid aus bzw. adsorbiert an den ebenfalls entstehenden Eisenhydroxiden. Chrom kann so über die Feststoffe durch Membranfiltration abgeschieden werden. Jedoch wurde bisher der Einfluss natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe auf den Wasseraufbereitungsprozess nur wenig untersucht. Dies ist eine wichtige Aufgabe, insbesondere wenn sehr geringen Chromkonzentrationen erreicht werden sollen.

DVGW-Forschungsstelle TUHH
DVGW-Technologiezentrum Wasser, Außenstelle Dresden
Beteiligung von 5 nord-/ostdeutschen Wasserversorgungsunternehmen

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Jakob Kämmler

Problemstellung:

Viele Grundwässer weisen aufgrund regionaler Einlagerungen von Torf- bzw. Braunkohlensanden in den Grundwasserleitern eine Färbung durch organische Bestandteile auf.

• Die Färbung liegt teils erheblich über dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung (spektraler Absorptionskoeffizient, SAK436 = Färbung, < 0,5 1/m).
• In der Regel sind erhöhte Färbungswerte gesundheitlich unbedenklich, da sie von Huminstoffen hervorgerufen werden, sie bieten aber aus ästhetischer Sicht beim Konsumenten Grund zur Beschwerde.
• Erhöhte Huminstoffkonzentrationen sind in Trinkwässern auch unerwünscht, da sie ggf. die biologische Verfügbarkeit des DOC erhöhen sowie Ausgangssubstanzen für Desinfektionsnebenprodukte darstellen.
• Weiterhin sind Grundwässer mit hohen Färbungswerten durch gelöste Huminstoffe i.d.R. anaerob und enthalten hohe Konzentrationen an Eisen und Mangan. Durch die Organik ergeben sich daher häufig Probleme bei der Eisen- und Manganentfernung.

Das Regelwerk des DVGW enthält aktuell keine Angaben, mit welchen Verfahren im Rahmen der Grundwasseraufbereitung eine Entfärbung nachhaltig und kosteneffizient gesichert werden kann.
 

Sowohl im Labor als auch an betroffenen Wasserwerksstandorten werden drei Basistechnologien (Flockung / Fällung, Oxidation, Adsorption) hinsichtlich ihrer Entfärbungsleistung und der jeweiligen Leistungsgrenzen untersucht. Als innovatives Verfahren kommt die Ozonung mit nachgeschalteter Biofiltration zum Einsatz. Diese Technik wird bisher fast ausschließlich in Oberflächenwässern aus anderen Aufbereitungsgründen (Desinfektion, Geruchsstoffe, Vorflockung) eingesetzt. Ozon greift selektiv chromophore Moleküle an und ist daher gut für die Entfärbung geeignet. Im Gegensatz zu anderen Technologien fallen keine Reststoffströme (Schlamm, Konzentrate) an. Allerdings sind Fragen nach resultierender DOC-Bioverfügbarkeit sowie zur Bromatbildung in Abhängigkeit von technischen Parametern und Wasserbeschaffenheit zu beantworten.

Die beteiligten Wasserversorger bieten Zugang zu ihren Werken und bisherigen Erfahrungen im Umgang mit der Problematik. So werden Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der jeweiligen Verfahren deutlich.

Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgt mit dem Ziel der Entwicklung von Handlungsempfehlungen im DVGW-Regelwerk sowie der Minimierung des Energie- bzw. Chemikalieneinsatzes und der gesamten Lebenszykluskosten.
 

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Dr. B. Bendinger / Dr. A. Höckendorf

Problemstellung:

In diesem Projekt werden die Auswirkungen eines Entkalkungsverfahrens mit organischen Säuren auf die Wasserbeschaffenheit in einer mobilen Trinkwasserversorgungsanlage untersucht.

In mobilen Trinkwasserversorgungsanlagen, wie z.B. an Bord von Flugzeugen, kann es durch die Betankung von unterschiedlich stark calcitabscheidenden Wässern und durch die Erhitzung in der Küche stellenweise zu massiven Kalkablagerungen kommen. Diese führen zu Einschränkungen in der Wasserverteilung, zum Versagen von Geräten zur Wassererwärmung und letztendlich zu Ausfallzeiten des Transportfahrzeuges, weil die gesamte Anlage entkalkt werden muss. Zur Entkalkung des Trinkwassersystems werden in der Regel organische Säuren, wie z.B. Essigsäure oder Zitronensäure, verwendet. Jedoch besteht dabei die Gefahr eines mikrobiellen Aufwachsens, da Bakterien nicht ausgespülte Reste der Säuren als Nahrungsquelle verwenden können und somit ihre Vermehrung gefördert wird.

Für vergleichbare Bedingungen in den Entkalkungsexperimenten wurde eigens eine Anlage gebaut, in der Rohrleitungen unter definierten Bedingungen verkalkt werden können. Hierdurch ist es möglich reproduzierbare, feste Calcitablagerungen in Edelstahlrohren zu erzeugen (Abb. 1 A).

In einer originalgetreu nachgebauten mobilen Trinkwasserversorgungsanlage werden die stark verkalkten Rohre mit verschiedenen organischen Säuren in unterschiedlichen Konzentrationen gereinigt und dann mit Trinkwasser gespült. Die Anlage wird anschließend mit einem praxisnahen Fließ-Stagnations-Programm betrieben und die Wasserphase in den folgenden Wochen unter Betriebsbedingungen auf verschiedene chemische und mikrobiologische Parameter hin untersucht, darunter der gesamte und der gelöste organische Kohlenstoff (TOC und DOC), die Calcitlösekapazität (Dc), die Gesamtzellzahl und die Koloniezahl bei 20 °C und 36 °C nach Trinkwasserverordnung 1990.

Ziel dieser Untersuchung ist es, ein optimiertes Verfahren zur Entkalkung zu finden, welches eine effizientere Entkalkungsleistung erbringt und kein mikrobielles Aufwachsen bei Wiederinbetriebnahme nach sich zieht. Bestehende Entkalkungsvorschriften werden kritisch geprüft und bewertet und neue Empfehlungen zur Entkalkung werden erarbeitet.

Abbildung 1: (A) Verkalkte Rohre, wie sie zur Entkalkung eingesetzt werden, (B) Rohre nach Entkalkung

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr.-Ing. K. Wichmann / Dr.-Ing. Michael Plath

Problemstellung:

Eine systematische Erfassung der Energieverbräuche in Zusammenarbeit mit 14 beteiligten Wasserversorgungsunternehmen mit ca. 40 Wasserwerken ermöglicht es, reale Betriebswerte in konkreten Versorgungssituationen zu ermitteln. Zusammen mit dem aufzustellenden Katalog von Maßnahmen können dann Energieeinsparpotenziale identifiziert und darauf aufbauend Handlungsempfehlungen gegeben werden. Für jedes Wasserversorgungsunternehmen wird es einen Katalog mit auf den Einzelfall zugeschnittenen Maßnahmenempfehlungen geben. Die beteiligten Wasserversorgungsunternehmen werden sicherstellen, dass die Entwicklung der Systematik praxisnah erfolgt und gleichzeitig im Laufe des Projektes zu verbesserten Kenntnissen über Energiebilanzen und Einsparpotenzialen im eigenen Unternehmens gelangen.
 

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / Dr.-Ing. Marcus Beck

Problemstellung:

• Die Erfassung von Daten, Erstellung von Energiebilanzen und Planung der Maßnahmen zur Energieeinsparung.
• Umsetzung der Maßnahmen und Überprüfung des Erfolges.
• Ergebnisdarstellung und Ausarbeitung von Handlungsempfehlungen.

European Community
10th European Development Fund: ACP-EU Water Facility

Antragsteller:

Beteiligter Partner 1:

Beteiligter Partner 2:

Begünstigter Partner:

Unterstützender Partner:

Hamburger Wasserwerke GmbH (HWW), Germany

DVGW-Forschungsstelle TUHH (DVGW-TUHH), Germany

Consulaqua Hamburg Beratungsgesellschaft, Germany

Energy, Water and Sanitation Authority (EWSA), Rwanda

Kigali Institute of Science and Technology (KIST), Rwanda

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr. Christoph Czekalla (HWW) / Dr. Bernd Bendinger(DVGW-TUHH)

Problemstellung:

Verschiedene Maßnahmen müssen umgesetzt werden, um die absolut unzureichende Versorgung der 9,3 Millionen Einwohner von Ruanda mit Trinkwasser und Abwasserentsorgung zu verbessern. Die Maßnahmen haben zum Ziel, zu einer verbesserten und gesicherten Langzeitversorgung der Bevölkerung von Ruanda mit sauberem Trinkwasser beizutragen. Hierfür müssen moderne Optimierungsstrategien für die öffentliche Wasserversorgung, basierend auf Kapazitätsbildung und Verbesserung der technischen Effizienz, eingeführt werden.

Die DVGW-TUHH ist bei der Kapazitätsbildung und Ausbildung von Personal, die als Schlüsselfaktoren für eine nachhaltige Entwicklung gesehen werden, beteiligt.  DVGW-TUHH wird das Know-how über moderne Optimierungs¬strategien für Trinkwasserversorgung in die weiterführende Ausbildung von Studenten am KIST vermitteln.

DVGW-TUHH wird folgende Aktivitäten durchführen:

• Blockvorlesungen am KIST über moderne Optimierungsstrategien für die Trink-wasseraufbereitung und Trinkwasserverteilung
• Beteiligung von Vertretern und Studenten von KIST an Projekt-Workshops und Projektaktivitäten
• Betreuung von Forschungsprojekten am KIST
• Initiierung von angewandter Forschungskooperation mit KIST
• Beteiligung an der Projektentwicklung und -durch führung sowie Bewertung der Projektergebnisse

Umwelt: Verringerung des erheblichen Bedarfs an Chemikalien für die Aufbereitung von überwiegend Oberflächenwasser

Energieeffizienz: Verbesserung der Energieeffizienz der Versorgungssysteme von der Wassergewinnung über die Wasseraufbereitung bis zur Wasserverteilung

Infrastruktur: Verringerung der Wasserverluste im Verteilungsnetz

Kapazitätsbildung: Ausbildung von gut qualifizierten Hochschulabsolventen, die in der Lage sind, die vorherrschenden Probleme der Wasserversorgung von Ruanda zu lösen

Verbundprojektkoordination:    DVGW-Forschungsstelle TUHH

Verbundpartner:  

• Hamburger Wasserwerke GmbH
• Oldenburgisch-Ostfriesischer Wasserverband
• CERAFILTEC Germany GmbH Blue Filtration
• Umweltbundesamt
• PHL Substratkontor GmbH & Co. KG

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Charlotte Kast

Problemstellung:

In der Grundwasseraufbereitung fallen aktuell Filterspülwässer zwischen 1% und 4% der gehobenen Grundwässer an. Diese schlammhaltigen Filterspülwässer werden in der Regel als Abwasser entsorgt und gehen damit der Trinkwasserversorgung verloren. Gleichzeitig steigt der Trinkwasserbedarf regional als Folge des Klimawandels oder Demografie- und Strukturwandels deutlich. Hinzu kommt, dass der eisen- und manganhaltige Filterschlamm häufig nicht weiter verwertet wird.

Durch entsprechende Aufbereitung von Filterspülwässern könnte zum einen die Verfügbarkeit von Trinkwasser für die Wasserversorgung erhöht werden. Zum anderen könnten die anfallenden Eisen- und Manganschlämme zur kommerziellen Verwertung z.B. zur Bindung von Schwefel in Biogasanlagen, aber auch in der Land- und Forstwirtschaft sowie der Bauindustrie und Umwelttechnik weiter aufbereitet werden.

Im Verbundprojekt FITWAS werden innovative Lösungsansätze zur Rückgewinnung von Filterspülwasser sowie zur Verwertung von Filterschlämmen mit folgenden Zielen untersucht:

• Klärung der geeigneten Verfahrensvariante (Druck-/Unterdruckfiltration, Filtrationsrichtung) und Membranmodule/-materialien (Keramik/Polymer) zur Aufbereitung von Filterspülwässern sowie Vergleich mit konventioneller Aufbereitung
• Bewertung der erzielbaren Filtrationsleistung und der Ableitung von Reinigungsstrategien mit minimiertem Chemikalieneinsatz und Energiebedarf
• Rechtliche Anforderungen und Bestimmung der Filtratqualität zur sicheren Rückführung in den aufzubereitenden Rohwasserstrom
• Validierung des Reststoffnutzungspotenzials in Abhängigkeit von Ausbeute und Feststoffgehalt sowie verfahrenstechnische Anpassung zur Speicherung der Filterspülwässer und Aufbereitung der Filterschlämme

Die DVGW-Forschungsstelle TUHH, CERAFILTEC und das UBA werden vergleichende Laborversuche mit keramischen und polymeren Membranen zur effizienten und betriebssicheren Filterspülwasserrückgewinnung durchführen. Anschließende Praxisversuche an ausgewählten Wasserwerkstandorten von OOWV und HWW dienen der Implementierung in den Gesamtprozess sowie der Generierung belastbarer Daten zu Energie- und Betriebskosten. Im UBA-Versuchswasserwerk wird insbesondere der Rückhalt von Viren und Schwermetallen und deren Rückhalt bzw. Resuspendierung untersucht. Die Qualität und die technischen bzw. ökonomischen Verwertungsoptionen des Filterschlamms werden durch PHL evaluiert. Damit soll ein ganzheitlicher Ansatz zur Wiederverwendung von Filterspülwässern aus der Trinkwasseraufbereitung geschaffen werden, mit Berücksichtigung der rechtlichen Rahmenbedingungen.

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Andreas Tiehm (TZW), Dr. Bernd Bendinger / Anne-Madeleine Trimbach, Dorota Bruniecka-Sulewski

Problemstellung:

Die Durchflusszytometrie (DFZ) ist eine leistungsfähige Methode zur Quantifizierung aller in einer Wasserprobe enthaltenen Bakterien (Gesamtzellzahl, GZZ). Nach Färbung mit einem an DNA bindenden, fluoreszierenden Farbstoff werden die Zellen einzeln von einem Laserstrahl angeregt und deren Lichtstreuung und Fluoreszenzintensitäten über optische Sensoren detektiert. Aus der Kombination verschiedener Signale ergibt sich ein charakteristischer Fingerabdruck einer Wasserprobe, der u.a. das Verhältnis von kleinen Zellen mit wenig DNA (low nucleic acid, LNA) und großen Zellen mit viel DNA (high nucleic acid, HNA) widerspiegelt.

Eine Messung der GZZ dauert nur wenige Minuten. Demgegenüber erfassen klassische Kultivierungsmethoden nur 0,01 bis 0,1 % der GZZ und die Ergebnisse einer Koloniezahlbestimmung nach TrinkwV liegen frühestens nach 48 Stunden vor. Der Zeitvorteil und die Verfügbarkeit von mobilen sowie neuerdings auch Online-Geräten sind wesentliche Faktoren für einen erfolgversprechenden Einsatz der DFZ in der Wasseranalytik.

Zusätzlich kann mit der DFZ zwischen lebenden (membranintakten) und membrangeschädigten (toten) Zellen unterschieden werden. Dies ermöglicht die genaue Untersuchung der Wirksamkeit von Desinfektionsverfahren. Der in verschiedenen Publikationen pauschal propagierte Einsatz der DFZ zur Überwachung von Desinfektionsverfahren ist jedoch aufgrund unterschiedlicher Wirkungsprinzipien kritisch zu betrachten - speziell bei der UV-Desinfektion.

Ziel dieses Projektes ist es, Potenzial und Grenzen dieser zukunftsweisenden Technologie herauszuarbeiten. Die Durchflusszytometrie soll für verschiedene Einsatzbereiche weiterentwickelt und validiert werden.

• Schnelle Messung der Gesamtzellzahl (GZZ) in verschiedenen Matrices
• Schnelle Charakterisierung von Rohwasser oder Trinkwasser
• Spezifischer Nachweis von Fäkalindikatoren
• Kontrolle der Wirksamkeit der Desinfektion

Ein Vergleich der Ergebnisse der DFZ mit klassischen Kulturverfahren soll die Relevanz von DFZ-Daten für die hygienische Bewertung der Wasserqualität aufzeigen. Für eine weitestgehend praxisnahe und praxisorientierte Entwicklung der Durchflusszytometrie werden möglichst unterschiedliche reale Proben von Wasserversorgern untersucht.
 

Die DVGW-Forschungsstelle TUHH beteiligt sich im Rahmen des Gesamtprojektes mit folgenden Arbeiten:

• Teilnahme an Ringversuchen zur Bestimmung der GZZ, des Verhältnisses von LNA/HNA-Zellen und des Anteils der lebenden (membranintakten) Zellen an der GZZ
• Untersuchung der mikrobielle Dynamik in Aufbereitungsprozessen verschiedener Rohwässer und in der Verteilung (Fernwasserleitung)
• Kontrolle der Desinfektion: Untersuchung der Auswirkungen von Chlordioxid auf die lebend/tot-Differenzierung der Zellen in Laborversuchen mit unterschiedlichen realen Trinkwässern
• Messung der Auswirkungen von verschiedenen Wassermatrices (z.B. Partikel, gelöste Inhaltsstoffe) auf die bakteriellen DFZ-Signale
• Hygienische Relevanz der Daten: Interpretation der Durchflusszytometrie-Daten und Bewertung ihrer hygienischen Relevanz durch Vergleich mit den Ergebnissen der kulturellen Routineverfahren
• Anpassung von Standardarbeitsanweisungen (SOPs) für die Probenahme, Probenkonservierung, Geräteeinstellungen und Qualitätskontrollen

• Verbundkoordination: Helmholtz Zentrum München GmbH, Institut für Grundwasserökologie, Neuherberg
• DVGW Technologiezentrum Wasser - TZW, Karlsruhe,
• Justus-Liebig-Universität Gießen, Gießen
• Bayerisches Landesamt für Umwelt, Zentrale Analytik, Trinkwasser, Augsburg und Hof
• Gelsenwasser AG, Gelsenkirchen
• Westfälische Wasser- und Umweltanalytik GmbH, Gelsenkirchen
• Boden- und Grundwasserlabor GmbH, Dresden
• Institut für Grundwasserökologie IGÖ GmbH, Landau
• Limco International GmbH, Konstanz

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Dr. Bernd Bendinger / Anne Madeleine Trimbach, M. Sc.

Problemstellung:

In Deutschland ist Grundwasser die wichtigste Ressource für unser Trinkwasser. Durch Landnutzungsänderungen, den Ausbau unserer Gewässer, Extremwetterereignisse und zunehmende Stoffeinträge, wie z.B. aus der Landwirtschaft, ist jedoch die Qualität und die langfristige Verfügbarkeit des Grundwassers gefährdet. Um diesem Trend entgegenzuwirken, ist es dringend notwendig, innovative Konzepte und Werkzeuge zur Beurteilung der Belastbarkeit, des ökologischen Zustands und des Selbstreinigungspotenzials der Grundwasserökosysteme zu entwickeln und diese standardisiert zur Anwendung zu bringen. Nur so kann ein nachhaltiges Management des Grundwassers auf regionaler Ebene gewährleistet werden.
Ziel des interdisziplinären Verbundprojekts GroundCare ist es, in der Praxis anwendbare biologisch-ökologische Konzepte und Methoden für das Monitoring im Grundwasser zu entwickeln und diese nach umfangreichen Test- und Standardisierungsverfahren den Umweltbehörden und der wasserwirtschaftlichen Praxis als modulares System zur Verfügung zu stellen.
Die wesentlichen Inhalte des Vorhabens sind daher:

• Identifizierung und Implementierung von ökologischen Kriterien für die Zustandsbewertung im Grundwasser
• Standardisierung von Probenahmetechniken für ökologischen Messgrößen und die Entwicklung   eines online-Verfahrens zur ökotoxikologischen Bewertung von Schadstoffen. Des Weiteren die Erprobung von Bewertungssystemen im wasserwirtschaftlichen Vollzug
• Evaluierung der Leistungs- und Funktionsfähigkeit (Ökosystemleistungen) von ausgewählten   Grundwassersystemen unter Berücksichtigung von Extremwetterereignissen
• Evaluierung und Validierung der entwickelten Konzepte und Methoden an ausgewählten   Modellstandorten mit unterschiedlichem Nutzungshintergrund
• Erstellung eines Leitfadens für die praxisorientierte Anwendung ökologischer Bewertungssysteme im Grundwasser

In Deutschland werden ca. zwei Drittel des Trinkwassers aus Grundwasser aufbereitet, wovon ein großer Teil reduziertes Grundwasser ist, d.h. es enthält keinen freien Sauerstoff und unter-schiedliche Konzentrationen an reduzierten Verbindungen. Diese können bei Kontakt mit Luftsauerstoff zu Ausfällungen und somit zur Veränderung der Wasserprobe führen. Standardmethoden zur Wasseruntersuchung müssen deshalb an diese speziellen Bedingungen angepasst werden. Ziel ist es, eine Sammlung robuster und praxistauglicher Verfahren zur Bewertung des mikrobiologischen Zustands von reduziertem Grundwasser zusammenzustellen.

• Auswahl von aussagekräftigen Indikatorgrößen für den Einsatz in reduziertem Grundwasser
• Entwicklung, Anpassung und Standardisierung der ausgewählten Methoden anhand von reduzierten Grundwasserproben aus dem Fuhrberger Feld
• Durchführung von Vergleichsmessungen zwischen den Projektpartnern
• Quantifizierung und Charakterisierung des gesamten und biologisch abbaubaren organisch gebundenen Kohlenstoffs

Oberflächennahe Grundwasserleiter können unter sauerstofffreien Bedingungen eine wichtige Ökosystemdienstleistung zur Verringerung des hohen anthropogenen Nitrateintrages ausüben, sodass nitratarmes reduziertes Grundwasser für die Trinkwasseraufbereitung zur Verfügung steht. Hierfür ist die mikrobiologische Denitrifikation verantwortlich. Ziel ist es, die Aktivität und die Belastbarkeit  der Pyrit-abhängigen Nitratreduktion zu erfassen.

• Etablierung eines Labortests für die Messung des autotrophen Denitrifikationspotentials in reduzierten Grundwasserproben aus dem Fuhrberger Feld (Aktivitätstest)
• Abgleich der Aktivitätsmessungen mit der Häufigkeit von denitrifizierenden Bakterien bzw. Enzymen der Denitrifikation mit molekularbiologischen Methoden
• Ermittlung der bedeutendsten autotrophen Denitrifikanten
• Auswirkungen von ausgewählten Schadstoffen auf das autotrophe Denitrifikationspotential in Labortests zur Bewertung der Sensitivität dieser Ökosystemdienstleistung

Assoziierter Partner des Teilprojekts ist der Wasserversorger enercity, Hannover mit seinem Trinkwassergewinnungsgebiet Fuhrberger Feld, in dem die Grundwasserproben entnommen werden.

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / Dipl.-Ing. J. Benecke

Problemstellung:

Regionale Wasserknappheiten stellen eine der größten globalen Herausforderungen unserer heutigen Generation dar. Die einzige Möglichkeit, vorhandene Trinkwasserressourcen über den hydrologischen Zyklus hinaus zu erweitern, stellt neben der Wasserwiederverwendung die Entsalzung von Meer  und Brackwasser dar.

Für die Entsalzung von salinen Wässern hat sich die Hochdruck-Membranfiltration mithilfe von Lösungs-Diffusions-Membranen (Umkehrosmose) als zurzeit energieeffizienteste Technologie etabliert. Allerdings stellt das sogenannte Membranscaling, d.h. die Deposition, Anreicherung und das Wachstum von Kristallen auf der Membranoberfläche infolge der Überschreitung von Löslichkeitsprodukten verschiedener Minerale (z.B. CaSO₄) ein limitierendes und zu großen Teilen ungelöstes Problem dar. Scalingschichten belegen die Membranoberfläche, erhöhen den Filtrationswiderstand und führen unmittelbar zur Effizienzminderung oder zum Ausfall des Verfahrens.

Allgemein bekannt ist, dass die Anwesenheit natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe (NOM) die Kristallisationskinetik von Mineralen in der Lösung beeinflussen kann. Auch im Falle der Membranfiltration konnte in Studien gezeigt werden, dass es zu Wechselwirkungen zwischen NOM und Membranscaling kommt. Ein besseres Verständnis dieser Wechselwirkungen unterstützt die Entwicklung angepasster und effizienter Maßnahmen zur Minimierung von Membranscaling.
 

Zur Untersuchung des Einflusses natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe auf das Membranscaling wurden am Institut verschiedene Laborversuchsstände und eine vollautomatische Hochdruck-Membranfiltrations-Versuchsanlage aufgebaut sowie Untersuchungsmethoden etabliert. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit von NOM die Kristallisationsprozesse in der Lösung verzögern und bestätigen bereits publizierte Erkenntnisse. Weiterhin konnte in Vorversuchen gezeigt werden, dass das Kristallwachstum auf der Membranoberfläche während der Filtration durch die Anwesenheit von NOM beeinflusst wird (Kristallform und –anzahl). In anstehenden Untersuchungen wird der Einfluss von Oberflächeneigenschaften der Membran auf die Scalingprozesse untersucht. Zur genaueren Charakterisierung der relevanten Fraktionen der NOM werden neben den verfahrenstechnischen Untersuchungen wasserchemische Analysen wie die Gelpermeationschromatographie (LC OCD) und Fluoreszenzspektrometrie eingesetzt. Die Charakterisierung der ausgefallenen Kristallschichten und  strukturen auf der Membran erfolgt mittels mikroskopischer Methoden.

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr. W. Schneider / Herr J. Palm / Frau A.-G. Meier

Problemstellung:

Es ist zu erwarten, dass sich der Klimawandel in den tiefliegenden Gebieten des Elbtals auf die Grundwasserverhältnisse auswirkt. Klimawandelinduzierte Anstiege des Grundwasserspiegels führen zu flächenhafter Vernässung. Auch kann brackiges Elbwasser aufgrund des zu erwartenden Meeresspiegelanstiegs stärker in die Grundwasserressourcen eindringen.

Mit dem Projekt sollen die Wirkungszusammenhänge zwischen Klimawandel und Grundwasser quantifiziert werden. Darüber hinaus sollen Gegenmaßnahmen aufgezeigt werden, die zur optimalen Anpassung an die veränderten Verhältnisse führen. Es werden zwei Gebiete betrachtet: Das Stromspaltungsgebiet zwischen Norder- und Süderelbe (Wilhelmsburg) und das „Alte Land".
 

Die zu erwartenden klimawandelbedingten Veränderungen im Boden- und Grundwasser sowie die erforderlichen Gegenmaßnahmen werden mit Hilfe numerischer Modelle untersucht.
Grundlage dafür sind die Kenntnis des geologischen Aufbaus des Untergrundes sowie die räumliche Verteilung der Strömungs- und Transportparameter.
Als Randbedingung für die hydraulischen Modellierungen werden projizierte Elbewasserstände sowie Modellergebnisse verschiedener Klimamodelle für den Zeitraum bis 2100 herangezogen.
Unter Verwendung des Bodenwasserhaushaltsmodells SWAP  und der Grundwassermodellierungssoftware Visual MODLFOW werden verschiedene zukünftige Entwicklungen von Wasserbilanzen, die sich einstellenden Grundwasserstände sowie Fließzeiten und die Salz-Süßwasserverlagerung berechnet.
Die grundsätzliche Klimasensitivität der Grundwassersysteme wird anhand von Parameterstudien untersucht. Dabei werden Faktoren und Parameter identifiziert, deren klimawandelbedingte Änderung maßgeblich zu einer signifikanten Beeinflussung des Grundwassersystems führen. Auf diese Weise wird die Verallgemeinerung und Übertragbarkeit auf andere Gebiete der Ergebnisse ermöglicht.
 

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr. W. Schneider / Herr M. Scharnke

Problemstellung:

Arbeitspaket hydro(geo)logische Folgen des Klimawandels

Die Untersuchungen im Labor- und Feldmaßstab werden durch numerische Simulationsmodelle für den Bodenwasserhaushalt ausgewertet. Auf diesem Wege werden die bodenhydraulischen Funktionen durch inverse Modellierung parametrisiert. Die dabei ermittelten van Genuchten Parameter werden zur bodenhydraulischen Charakterisierung der Standortgegebenheiten benutzt. Es werden anschließend numerische Prognosen des Bodenwasserhaushalts unter den veränderten Klimabedingungen durchgeführt. Für die veränderten Klimabedingungen werden Szenarien entwickelt, die auf bestehenden Klimaprojektionen basieren. Anhand dieser Szenarien kann unabhängig von zur Zeit vorhandenen Projektionen der Einfluss des Klimawandels in größerem Ausmaß untersucht werden.

• Das Modell Wehninger Werder ist weitestgehend kalibriert, Modelläufe und erste Auswertungen des Referenzzeitraums sind erfolgt
• Erste Modellläufe mit Klimaszenarien wurden durchgeführt

IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung (Koordination)
Cornelsen Umwelttechnologie GmbH
DELTA Umwelt-Technik GmbH
LAGOTEC GmbH
LANXESS Deutschland GmbH
Solenis Technologies Germany GmbH
Institut für Technischen Umweltschutz - Umweltverfahrenstechnik der TU Berlin
TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser
Institut für Analytische Chemie der UDE
Mechanische Verfahrenstechnik/Wassertechnik der UDE
Abteilung Evolutionsökologie und Umwelttoxikologie der Goethe-Universität
DVGW-Forschungsstelle TUHH

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Shambhavi Arvind Kaushik

Problemstellung:

In der Trinkwasseraufbereitung werden zunehmend die Membrantrennverfahren Nanofiltration und Umkehrosmose (NF und UO) eingesetzt, z.B. für die Reduzierung der Konzentration von Härtebildnern, anderen anorganischen Wasserinhaltsstoffen, natürlichen organischen Stoffen oder zur Entfernung von anthropogenen Spurenstoffen.

Bei NF/UO-Prozessen entstehen unterschiedliche Konzentratmengen mit einer entsprechend höheren Konzentration der abgetrennten Stoffe. Antiscalants (überwiegend Phosphonate und Carboxylate), die zur Vermeidung von Ausfällungen dosiert werden, verbleiben ebenfalls im Konzentrat. Alle Entsorgungswege für die Konzentrate (Direkt- oder Indirekteinleitung) sind Bestandteil der Anlagengenehmigung mit Zustimmung der zuständigen Wasserbehörden. In den letzten Jahren wird die Einleitung von Konzentraten in ein Gewässer durch die zuständigen Genehmigungsbehörden zunehmend kritisch betrachtet, insbesondere wenn die Konzentrate naturfremde anthropogene Spurenstoffe inklusive der zugesetzten Aufbereitungsstoffe oder Nährsalze in hohen Konzentrationen enthalten. Da die Verweigerung der Einleitgenehmigung für die Konzentrate i. d. R. dem Aus der NF/UO gleichkommt, sind Lösungen gefragt, die den Einsatz dieser innovativen und mit vielen Vorteilen versehenen Technologie in der Trinkwasseraufbereitung langfristig sichern.

Im Verbundprojekt KonTriSol werden in sieben Arbeitspaketen verschiedene Lösungsansätze untersucht. Die DVGW-Forschungsstelle TUHH koordiniert das Arbeitspaket „Antiscalants – Bewertung und Alternativen“, in dem folgende Teilziele verfolgt werden:

• Zuverlässige Bewertung der Wirksamkeit von Antiscalants im Aufbereitungsprozess durch standardisierte Messung der homogenen sowie der heterogenen Kristallisation
• Sichere Aussagen zum Verhalten eingesetzter Antiscalants im Aufbereitungsprozess sowie zu deren Bewertung vor dem Hintergrund einer optimierten und sicheren Analytik
• Entwicklung, halbtechnische Umsetzung und Validierung verfahrenstechnischer Strategien zur Minimierung / Vermeidung von Antiscalants

An der DVGW-Forschungsstelle TUHH werden dazu Laborversuche zur Wirksamkeit von Antiscalants bei wechselnden Randbedingungen (DOC-Gehalt, Ausbeute, Temperatur, pH, etc.) durchgeführt. Es werden sowohl Tests zur Bewertung des homogenen Scalings in der Wasserphase als auch zur Bewertung des heterogenen Scalings auf (Membran-)Oberflächen eingesetzt und weiterentwickelt sowie mit Berechnungsergebnissen aus Softwareprogrammen verschiedener Membran- und Antiscalant-Hersteller verglichen.

Ziel ist, einen zuverlässigen, harmonisierten Test zur Überprüfung der Wirksamkeit von Scaling-inhibierenden Substanzen (Antiscalants und deren Inhaltsstoffen) in Abhängigkeit von den jeweiligen Randbedingungen des Membranprozesses (Vorbehandlung, Wassermatrix, Ausbeute, etc.) zu entwickeln. Dies soll zur Identifizierung von Antiscalant-Produkten oder Produktmischungen und ggf. alternativen Formulierungen dienen, die möglichst vollständig durch die Membranen zurückgehalten werden, in möglichst geringen Konzentrationen mit möglichst wenigen Nebenbestandteilen eingesetzt werden können und die bei Einleitung in Gewässer möglichst geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben.
 

• Eawag, Dübendorf, CH
• Geberit International AG, Jona, CH
• Georg Fischer JRG AG, Sissach, CH
• Industrielle Werke Basel / Wasserlabor, Basel, CH
• Wasserversorgung Zürich, Zürich, CH
• Kantonales Labor Zürich (KLZH)
• Hochschule Luzern (HSLU)/Zentrum für Integrale Gebäudetechnologie (ZIG)
• SVGW Schweizerischer Verein für Gas und Wasser (SVGW)

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Projektleitung (Eawag):
Dipl.-Ing. Stefan Kötzsch, Dr. Frederik Hammes

Projektbearbeitung (Eawag):
Franziska Rölli, Romina Sigrist

Projektkommission/-bearbeitung (DVGW-TUHH):
Dr. Bernd Bendinger / Dorota Bruniecka-Sulewski

Problemstellung:

In häuslichen Trinkwasser-Installationen können Werkstoffe aus Kunststoff einen erheblichen Einfluss auf die chemische und mikrobiologische Trinkwasserbeschaffenheit ausüben. Mittels des Methodenpakets „BioMig“, sollen Hersteller ihre Kunststoffprodukte für den Einsatz im Trinkwasserbereich effektiver optimieren können und der Endverbraucher soll durch Produktvergleiche eine bessere Orientierungshilfe über Produktqualitäten erhalten. Zusätzlich sollen geeignete Präventivmaßnahmen bei der Inbetriebnahme der Trinkwasser-Installationen den Endverbrauchern mehr Sicherheit bieten.

• Biologische Abbaubarkeit der migrierten organischen Kohlenstoffverbindungen
• Inhibierung des mikrobiologischen Wachstums
• Temperaturabhängigkeit der Migration von organischen Kohlenstoffverbindungen
• Mikrobiologisch induzierte Migration von organischen Kohlenstoffverbindungen

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / S. Dillman, M.Sc.

Problemstellung:

Kommerzielle Ultrafiltrationsmembranen mit einem Porendurchmesser von 10-20 nm sind i.d.R. nicht geeignet, gelöste Wasserinhaltsstoffe in höherem Maße zurückzuhalten. Mit der Oberflächenmodifikation durch die Layer-by-Layer (LbL) Technik besteht die Möglichkeit, die Trenneigenschaften entsprechender Membranen so zu verändern, dass gewisse Rückhalte für gelöste Wasserinhaltsstoffe wie Sulfat, Härte bzw. gelöste Organik umsetzbar sind, die gegenwärtig nur durch relativ energie-intensive bzw. umweltkritische Verfahren wie Ionenaustausch, Umkehrosmose oder Nanofiltration möglich sind.
Die Prozessbedingungen der LbL-Modifikation sind für die resultierende Membran entscheidend. Parameter wie die Anzahl der Doppelschichten, Molekulargewichte der Polyelektrolyte, Temperatur, Druck, pH-Wert oder Ionenstärke während der Beschichtung beeinflussen maßgeblich die Trenneigenschaften der beschichteten Membran.
 

Ziel des Projektes ist es, die Prozessbedingungen während der LbL-Beschichtung einer UF-Kapillarmembran zu untersuchen und die Trenneigenschaften der Membran zu optimieren. In einem Laborfiltrationsstand werden dazu neben der Permeabilität und den Rückhalteeigenschaften auch die Stabilität der Beschichtung und die Rückspülbarkeit geprüft. Die Untersuchung der beschichteten Membran mittels Elektronenmikroskopie sowie die Bestimmung des Zeta-Potentials sollen zusätzlich Aufschluss über die Schichtstruktur geben.
 

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Dr. Bernd Bendinger / Julia Schmitt, M. Sc.

Problemstellung:

TECHNION Israel Institut of Technology
Technische Universität Ilmenau
Hamburg Wasser
bbe Moldaenke GmbH

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr. Mathias Ernst / Dr. Anissa Grieb / Jonas Schuster, M. Sc.

Problemstellung:

Die Überwachung von organischen und biologischen Wasserqualitätsparametern in der Trinkwasserverteilung ist häufig arbeits- und zeitaufwändig, wodurch eine schnelle Reaktion auf Störungen nicht möglich ist.

Dieses Projekt strebt die Etablierung einer Online-Überwachung der Wasserqualitätsparameter in Echtzeit an, zur schnellen Detektion, Simulation im Verteilungssystem und vor allem raschen Reaktion auf entstehende Veränderungen. Durch eine automatisierte Reaktion minimiert sich die Zeit zwischen Detektion und Reaktion.

Online-Sensoren für die Echtzeit-Messung von organischen und biologischen Parametern werden weiterentwickelt, getestet und beurteilt. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Fluoreszenzspektroskopie und der Durchflusszytometrie:

• Die Möglichkeit gelösten organischen Kohlenstoff (engl. dissolved organic carbon = DOC) mit Hilfe von Fluoreszenzspektroskopie zu charakterisieren und quantifizieren wird evaluiert. Dabei werden auch Konzepte für wellenlängenspezifische Sensoren in Kooperation mit bbe Moldaenke entwickelt.
• Durchflusszytometrie wird an die kontinuierliche Messung zur quantitativen und qualitativen Beschreibung von Bakterien angepasst. Parallel wird die Nutzung der Durchflusszytometrie zur schnelleren Bestimmung des assimilierbaren gelösten organischen Kohlenstoffs (AOC) als Parameter für das Nachwachspotential von Bakterien untersucht.
• Die Korrelationen zwischen den Messungen mit dem Fluoreszenzspektrometer und dem Durchflusszytometer werden untersucht, sowie die Korrelationen zu Standard-Trinkwasser-Qualitätsparametern

Die Simulation relevanter Parameter (Partikel, Bakterien, Schadstoffe) und die Entwicklung eines Algorithmus zur schnellen Detektion von Anomalien, sowie die Entwicklung einer automatisierten Antwort auf Veränderungen (z.B. Desinfektionsdosis,  Öffnung/Schließung von Ventilen oder Änderungen in der Fließgeschwindigkeit) werden von den Kollaborationspartnern TECHNION und TU-Ilmenau erarbeitet.

Entwickelte Online-Sensoren und Simulationsergebnisse werden dann in einer Testanlage von Hamburg Wasser untersucht und validiert.

 

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / Dipl.-Ing. M. Schulz

Problemstellung:

Niederdruckmembranen (Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen) stellen eine leistungsfähige Technik zur Aufbereitung verschiedener Rohwässer dar. Neben den Vorteilen eines kleinen Flächenbedarfs und eines verlässlichen Betriebes, birgt vor allem die hohe Ablaufqualität das Potential herkömmliche Aufbereitungstechniken zu ergänzen oder sogar zu ersetzen. Ein großes Problem beim Einsatz solcher Membranen ist das Membranfouling, unter dem Deckschichtbildung und andere Kolmationsmechanismen zusammengefasst werden. Dieses führt zur raschen Abnahme der Filtrationsleistung, zur Erhöhung der nötigen transmembranen Druckdifferenz, des Reinigungsintervalls und des Chemikalieneinsatzes, was insgesamt hohe Energieverbräuche und Betriebskosten verursacht.

Es werden sowohl Filtrationsteststände im Labor als auch eine Membrananlage im Pilotmaßstab betrieben. Durch Methoden der analytischen Chemie, wie die Gelpermeationschromatographie (LC-OCD) und der Fluoreszenzspektroskopie (EEM) wird die Fraktion der gelösten organischen Stoffe näher charakterisiert. Bildgebende Verfahren wie die Nanoparticle-Tracking-Analysis (NTA) kommen für die Untersuchung der kolloidalen und partikulären Wasserinhaltsstoffe zum Einsatz. Als Erweiterung dieser Methode wird das Anfärben unterschiedlicher Stoffklassen mittels Fluoreszenzmarkern untersucht, wodurch die Möglichkeit einer weitergehenden Diskriminierung dieser kolloidalen Wasserinhaltsstoffe besteht. Anhand von Modellwässern wird zunächst der Einfluss einzelner Wasserinhaltsstoffe sowie deren komplexes Zusammenspiel während der Membranfiltration untersucht. Die Ergebnisse werden durch Filtrationsversuche mit realen Wässern verifiziert. Im Rahmen einer statistischen Datenanalyse sollen so foulingrelevante Stoffe ausgemacht und je nach Zusammensetzung des Wassers durch gezielte Vorbehandlung, durch Verfahren wie z.B. Flockung, Adsorption oder Oxidation reduziert und Bedingungen für einen energie- und kosteneffizienten Einsatz dieser Technik identifiziert werden.
 

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Mathias Ernst, Dr.-Ing. Muhammad Usman

Problemstellung:

In den letzten Jahren haben mehrere Forschungsgruppen gezeigt, dass elektrisch leitfähige Ultrafiltrationsmembranen (UF) zur Verbesserung von UF-Prozessen eingesetzt werden können. Indem ein negatives elektrisches Potential an die Membranoberfläche angelegt wird, werden negativ geladene Wasserinhaltsstoffe wie natürliches organischen Material (NOM) von der Membran abgestoßen, was zu einem erhöhten NOM-Rückhalt und zur Verminderung von Membranfouling führen kann. Herkömmliche UF Membranen sind nur unzureichend in der Lage, NOM aus Rohwässern zu entfernen. Für diesen Zweck werden bisher z.T. energieintensive Nanofiltrationsmembranen (NF) eingesetzt. Ein neuartiger Ansatz zur Entfernung von NOM ist die elektrosorptive Nutzung von leitfähigen porösen Membranen. Hierbei wird die Membran durch ein externes Potential nicht negativ, sondern positiv geladen. Dies führt zu einer elektrostatischen Adsorption der NOM in der Membranstruktur.

Kommerzielle Membranen werden durch unterschiedliche Verfahren elektrisch leitfähig gemacht, u.a. durch ultra-dünne Schichten leitfähigen Materials (bspw. Gold, Silber, etc.). Durch das Anlegen eines positiven Potenital, werden während der Deadend-Filtration negativ geladene NOM an die Membranoberfläche adsorbiert. Nachdem die Adsorptionskapazität der Membran erreicht ist, wird das elektrische Potential umgepolt, was zur Desorption der NOM und zur Regeneration der Membran führt. Durch das neuartige Verfahren wird ein NOM-Rückhalt erreicht, welcher im Bereich der Crossflow-Nanofiltration liegt. In das Projekt ist das Institut für Polymerforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) eingebunden.

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / J. Benecke, M. Langer

Problemstellung:

Das BMBF fördert die Entwicklung der internationalen Zusammenarbeit in Bildung und Forschung mit seinem Förderprogramm „Region Mittelost- und Südosteuropa (MOEL-SOEL) ein.
Gemeinsam mit Partnern aus Griechenland und Polen werden nachhaltige Konzepte für eine sichere Wasserversorgung entsprechend den gegebenen Herausforderungen der beteiligten Partner erarbeitet. Das zentrale Ziel des SafeWatPRO Projektes ist die Erarbeitung eines erfolgreichen EU Forschungsantrages im Programm Horizon2020.

Thematisch steht die Entwicklung eines nachhaltigen Wasserkonzeptes auf Grundlage neuer Materialien und Niedrigenergietechnologie für die Trinkwasserversorgung im Vordergrund. Innovative Wasseraufbereitungsverfahren werden im Rahmen eines H2020 Antrages entwickelt.

Koordination durch TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser
IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserforschung
DVGW-Forschungsstelle TUHH
DVGW-Forschungsstelle Engler-Bunte-Institut am KIT

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Mathias Ernst, Dr.-Ing. Barbara Wendler

Problemstellung:

Wasserversorgungsunternehmen wünschen vermehrt die Erfassung und Bewertung moderner Technologieentwicklungen unter Einbeziehung des internationalen Wassermarktes zur Lösung konkret anstehender Aufgaben. Voraussetzung für die Technologiebewertung ist ein interessensneutrales und fachlich kompetentes Screening von Technologieanbietern auf dem Weltmarkt einschließlich Identifikation der Vor- und Nachteile bei Einsatz unter den Bedingungen für Wasserversorgungsunternehmen in Deutschland.

Das Projekt identifiziert moderne technische Lösungen vom nationalen und internationalen Wassermarkt für konkret anstehende Fragestellungen der Wasserversorger. Dies wird durch persönliche Interviews und Workshops mit Wasserversorgern auf Basis von fachübergreifendem Innovations-Scouting erreicht. Die DVGW-Forschungsstelle führt gemeinsam mit dem Engler-Bunte-Institut eine Trendbeobachtung mit Auswertung von Forschungsaktivitäten durch, um Branchentrends in der Trinkwasserversorgung zu erfassen. Die Ergebnisse des Scoutings dienen auch der Fortschreibung der DVGW-Forschungsstrategie 2025.

Helmholtz-Zentrum-Geesthacht – Institut für Polymerforschung / Dr. Volkan Filiz

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / Tomi Mantel, M. Sc

Problemstellung:

Projektziel ist es auf der Basis einer interdisziplinären Kooperation zwischen dem WWV und dem Institut für Polymerforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) eine neuartige funktionalisierte Polymer-Membran zur Aufbereitung der oben genannten Problemstoffe zu entwickeln. Mit der Ultrafiltrationsmembran (UF) soll zum einen mikrobiologisch sicheres Trinkwasser bereitgestellt und zum anderen gleichzeitig  Oxyanionen durch Adsorption entfernt werden können. Das vorgeschlagenen Verfahren „Smart PAN-UF“ sieht ein einstufiges Aufbereitungssystem vor, welches bei niedrigen Betriebsdrücken (max. 0.3 bar Transmembrandruck) arbeitet und das einen vollständigen Partikelrückhalt durch ca. 10-30 nm große Membranporen gewährleistet. Das Membranmaterial soll hierbei durch chemische Behandlung mit entsprechenden Anionen-austauscher-Gruppen so modifiziert werden, dass die Oxyanionen selektiv an das Membranmaterial adsorbiert werden. Durch regelmäßiges Rückspülen der Membran sollen zum einen die partikuläre Deckschicht entfernt und zum anderen die Anionenaustauscher-Gruppen regeneriert werden.
 

Projektleitung / Projektbearbeitung:

Dr.-Ing. Barbara Wendler, Jakob Stumme

Problemstellung:

Steigende Sulfatkonzentrationen in Grundwässern und Uferfiltraten stellen viele Wasserversorgungsunternehmen vor aktuelle Herausforderungen. Die Gründe für den Anstieg sind vielfältig:

• Durch Einstellung des Braunkohletagebaus und damit verbundene Flutung von ehemaligen Abbaugruben ist Sulfat in steigenden Konzentrationen in Oberflächenwässern zu finden. Es gelangt so in oberflächennahe Grundwässer, die zur Trinkwasseraufbereitung genutzt werden.
• In Wassergewinnungsgebieten, die durch Pyrit-haltige Böden geprägt sind, verursachen steigende Konzentrationen von Nitrat die Oxidation des Sulfids zum Sulfat mit entsprechenden Auswirkungen auf die Rohwasserqualität.
• Tiefengrundwässer wie in norddeutschen Wasserentnahmegebieten stehen teils mit Salzstöcken (insbesondere Gips) im Austausch und reichern auf diese Weise Sulfat an.

Der Grenzwert der Trinkwasserverordnung für Sulfat liegt bei 250 mg/L und ist somit von allen WVU in Deutschland strikt einzuhalten.

Im Projekt werden kommerziell verfügbare Technologien (Niederdruck-Umkehrosmose LPRO, Ionenaustauschverfahren CARIX) mit dem Ziel der energetisch optimierten, nachhaltigen Sulfatentfernung zur Aufbereitung unterschiedlicher Rohwässer der Trinkwassergewinnung getestet. In Hamburg kommen hierzu tiefe, salzreiche Grundwässer zum Einsatz (anaerob vor Enteisung sowie aerob nach Enteisenung), in Berlin wird oberflächenwassernahes Uferfiltrat aufbereitet.

Die Ergebnisse im halbtechnischen Maßstab (Anlagenkapazitäten ca. 1 m3/h) werden unter Berücksichtigung verfügbarer Literaturdaten extrapoliert und für eine vergleichende Bewertung über Ökobilanz (Life Cycle Assessment) und Kostenrechnung ausgewertet. Auswertekriterien sind u.a. spezifische Energieverbräuche, Anwendungsverhalten und Nachhaltigkeit des jeweiligen Verfahrens unter wechselnder Rohwasserzusammensetzung.

Über die industriell verfügbaren Technologien LPRO und CARIX hinaus wird eine kommerzielle Polymer-UF-Membran durch neuartige Beschichtungstechnologien modifiziert und so für die Zielsubstanz Sulfat optimiert. Diese innovative Technologie der Kapillar-NF arbeitet bei geringeren Betriebsdrücken als kommerzielle Systeme und wird so deutlich geringere spezifische Energiewerte für die Aufbereitung von Wässern mit höheren Sulfatkonzentrationen realisieren können. Letztere Versuche laufen parallel zu den LPRO- bzw. CARIX- Versuchen, im Technikum-Maßstab. Die Betriebsdaten der Kapillar-NF werden in der Ökobilanz berücksichtigt und mit den Ergebnissen von LPRO und CARIX kritisch verglichen.

SULEMAN

www.hamburgwasser.de/privatkunden/entsalzung

https://www.kompetenz-wasser.de/de/forschung/projekte/suleman

Projektleitung / Projektbearbeitung:
 

Prof. Dr.-Ing. M. Ernst / Tomi Mantel, M. Sc.

Problemstellung:

Mittels ionengestützter Beschichtung, Plasma Immersions Ionenimplantation und Beschichtung (PBII&D) genannt, wird die Oberflächenleitfähigkeit herkömmlicher Polymermembranen gezielt erhöht. Entsprechend behandelte Membranen werden in verschiedenen wässrigen Lösungen durch definiertes Anlegen eines elektrischen Potentials (- 1,5 V bis 1,5 V) auf das resultierende Fouling- und Rückhalteverhalten hin untersucht. Die Versuchsergebnisse werden  mit bekannten Transportmodellen (elektrokinetische Modelle) verglichen  und ggf. werden Modellanpassungen durchgeführt. Diese Erkenntnisse werden dazu genutzt, ein Modell zu erstellen, das zur Simulation des Trennverhaltens bei verschiedenen Betriebsbedingungen genutzt werden kann. Ein besseres, umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächenladung der Membran (Zetapotential) und resultierendem Fouling- bzw. Rückhalteverhalten könnte zur gezielten „potentialgesteuerten Funktionalisierung“ von Membranoberflächen eingesetzt werden.