Technologien & Innovationen für Wasser

12. August 2020 Innovative Insights

Beim Stichwort Innovation denken die meisten Menschen vermutlich an die Erfindung des PC oder an ihr neues Smartphone, weniger an Wasser.

Dabei ist es undenkbar, die demnächst acht Milliar­den Menschen auf der Erde ausreichend zu ernähren und mit sauberem Wasser zu versorgen, ohne inno­vative Technologien im Bereich Wasser zu entwickeln und anzuwenden. Weniger spektakulär aber vielleicht noch drängender ist die fälschungssichere Rückver­folgung von Nahrungsmittel-Lieferketten und neue Wasseraufbereitungstechnologien mithilfe von Mikro­algen und Nanomaterialien.

Wasseraufbereitung: Mikroalgen, die Po­wer-Winzlinge

Es gibt die blutrote Schneealge, die blaugrüne Fels­kugel, die Armleuchteralge und unzählige andere Al­gen; die Anzahl ihrer Arten liegt Schätzungen zufolge gut über 100.000 oder auch zehnmal mehr. Es gibt die Algenblüte, die gilt mitunter als schön und die Algen­plage, die im Grunde genommen dasselbe aber nicht mehr schön ist, weil sie Probleme mit sich bringt. Man­che Algen kann man essen, wie Wasabi, Kelp und Nori.

Es gibt Makro- und Mikroalgen, und um letztere geht es hier, denn in den Winzlingen steckt ungeheu­res ökonomisches Potenzial. Abwasser zu reinigen ist nur eine ihrer Fähigkeiten, und das weckt das Inter­esse der Industrie. Zumal Algen genügsame Wesen sind, die lediglich Licht, Wasser, Kohlendioxid und Nährstoffe zum Wachsen brauchen. Werden sie in In­dustrieabwasser mit seiner Fülle an Nährstoffen ein­gebracht, setzen sie sich praktisch an den gedeckten Tisch und bedienen sich an Stickstoff und Phosphat. Das Abwasser ist damit zwar noch kein Trinkwasser, aber immerhin wesentlich weniger belastet.

Damit nicht genug: Bei der Reinigung wandeln sie das Kohlendioxid aus der Luft und dem Abwasser mit­hilfe von Licht in Sauerstoff um, und zwar so reichlich, dass Forscher des Max-Planck-Instituts Algen als die zweite grüne Lunge der Erde (neben den Regenwäl­dern) bezeichnen. Selbst wenn die Powerwesen nach ihrem arbeitsreichen Leben tot auf den Meeresgrund sinken, leisten sie noch gute Dienste, indem sie das dort natürlich vorkommende und vom Menschen ein­gelagerte Klimagas C02 binden.

Wow. Können die wirkmächtigen Einzeller womög­lich das Klimaproblem der Menschheit lösen? Natür­lich nicht, das wäre ein paar Grad zu hoch gegriffen. Auf jeden Fall aber faszinieren sie Wissenschaftler mehrerer Disziplinen und wecken Begehrlichkeiten in­novationsfreudiger Unternehmen, die grosse Hoffnungen in die anspruchsarmen Multitasker setzen. 

Projekte und Anwendungen rund um Mi­kroalgen

SaltGae

Wissenschaftler des EU-Projekts SaltGae arbeiten daran, Abwasser von einem Kostenfaktor in ein wert­volles Produkt zu verwandeln. Mikroalgen sollen dabei helfen, das von der Lebensmittel- und Getränkeindus­trie produzierte salzhaltige Abwasser aufzubereiten.

TH Mittelhessen

,Algenbiotechnologie in Abwasserreinigungsan­lagen – Phosphorrecycling und Energiegewinnung“ lautet der etwas sperrige Titel eines Projekts der TH Mittelhessen. Die Forscher haben untersucht, wie man Algen zum Gewässerschutz und zur Rückgewinnung von Phosphor einsetzen kann. Während des Vor­habens wurden in zwei mittelhessischen Klärwerken Pilotanlagen installiert. Ziel des 2019 beendeten Pro­jekts war es, die Einleitung von Nährstoffen in die Ful­da zu verringern, die Konzentrationen von Phosphor und Stickstoff im Ablaufwasser der Kläranlage zu sen­ken und die entstehende Biomasse aus Algen für die Biogasgewinnung zu nutzen. Nachdem das Projekt­ziel nach Angaben eines Sprechers „absolut erreicht worden“ sei, will man testen, ob es Erfolg versprechend und wirtschaftlich ist, eine solche Algenanlage zur Ab­wasserreinigung in grossem Massstab zu bauen.

 

Pa­piertechnischen Stiftung PTS

Ziel des transnationalen Projekts ALBAQUE (Al­gen, Bakterien, Qualität) war die Entwicklung eines Verfahrens zur Reinigung von Papierfabrikabwässern mithilfe von Algen genauer gesagt Algen-Bakterien-Biomasse und die Bewertung der Überschuss-Biomasse als Roh­stoff. Das ALBA-Verfahren für die Reinigung von Ab­wässern der Papierfabrikation hat sich bewährt. Eine Belüftung, die etwa die Hälfte der Energiekosten in Abwasserreinigungsanlagen ausmacht, ist nicht mehr erforderlich. Es wird weniger Überschussschlamm pro­duziert, somit fallen weniger Kosten für die Schlamm­entsorgung an. Mit der Umsetzung des ALBA-Verfah­rens im Pilotmassstab ist der erste wesentliche Schritt hin zur Implementierung in grosstechnischen Abwas­serreinigungsanlagen der Industrie getan. Koordiniert wurde das 2019 abgeschlossene Projekt von der Pa­piertechnischen Stiftung PTS.

Jacobs Universität

Mikro hilft Makro, so könnte das Motto einer chi­nesisch-deutschen Forschungskooperation lauten, die seit März 2019 besteht. Es geht um die Makroalge La­minaria, die in China vielfältig genutzt wird, vor allem als Lebensmittel. Allerdings entsteht bei der industri­ellen Verarbeitung von Laminaria Abwasser mit einem rund 20-prozentigem Salzgehalt (zum Vergleich: Das Mittelmeer hat einen durchschnittlichen Salzgehalt von 3,8 Prozent.). Ein Team aus Experten der Jacobs University Bremen und der Shandong Haizhibao Oce­an Science and Technology Co Ltd will das Abwasser mithilfe von Mikroalgen säubern.

Wasser-Membrantechnologie: die sanfte, undurchdringbare Grenzkontrolle

Membrantechnologie ist eine weitere Form der Wasseraufbereitung, der sich Wissenschaft und An­wender in letzter Zeit verstärkt widmen. Ob Trink­ oder Betriebswasser, die existenzielle Bedeutung des Themas weltweit braucht wohl nicht näher erläutert zu werden. Je ausgefeilter das Reinigungsverfahren, desto sauberer und wertvoller das Wasser, und je winziger die im Abwasser befindlichen Stoffe, desto feinmaschiger müssen die Methoden sein, um sie da wieder rauszuholen.

Musste man sich vor gut 200 Jahren mit schlich­ten Sand-filtern begnügen, werden mittlerweile Cel­lulose-Nanomaterialien eingesetzt, um zunehmend toxische Spurenstoffe und Arzneimittelrückstände zu entfernen, energieeffizienter und damit auch kos­tengünstiger zu wirtschaften. Einer der Vorteile der Nanocellulose ist, dass sie aus biologischen Aus­gangsstoffen hergestellt wird und dennoch echtes Powerpotenzial hat, das man eher von chemisch-syn­thetischen Hightech-Materialien erwarten würde: So haben Nanofasern eine hohe spezifische Oberfläche (das ist die innere Oberfläche von porösen oder körni­gen Feststoffen) und Porosität und können flexibel an verschiedene Anwendungen angepasst werden. Kom­merziell werden sie bereits für die Luftfiltration ein­gesetzt, die Anwendung für die Abwasserbehandlung wird noch erforscht.
Nanofasermembranen zeichnen sich durch eine hohe Durchflussrate aus und können über elektrosta­tische Effekte Verunreinigungen, Bakterien, Viren und Proteine entfernen. Genau das also, was man für die anspruchsvolle Wasseraufbereitung benötigt.

 

Nanocellulosefibrillen eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften – zum Beispiel Festigkeiten und Stei­figkeiten, die sogar jene von Glasfasern übertreffen -, gut dazu, neue High-T ech-Materialien für effiziente Wasserbehandlungsverfahren zu entwickeln, wie Fil­termembranen, Nanokatalysatoren, funktionalisierte Oberflächen. Das heisst: Das Wasser wird gründlicher gereinigt bei langfristig sinkenden Kosten.
Deshalb beschäftigen sich seit einigen Jahren meh­rere Forschungsprojekte mit der innovativen Wasser­aufbereitungstechnologie:
Das von Merck geleitete Projekt NanoMembrane hat nanoporöse keramische Membranen entwickelt zur nachhaltigen Wasser- und Lösungsmitteleinsparung. Pilotversuche in der Chemie, Metall verarbeitenden In­dustrie, Textilveredelung, Papier- und Zellstoffherstel­lung bestätigten, dass gelöste Moleküle, Farbstoffe, Tenside und Salze die Nanomembran tatsächlich nicht passieren konnte.

Beim Forschungsprojekt NanoPurification unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicher­heits- und Energietechnik (UMSICHT) sollte das Hyb­ridsystem NanoPur entwickelt werden, das partikuläre Verunreinigungen und Mikroorganismen mechanisch zurückhalten und zusätzlich chemische und biologi­sche Spurenstoffe abbauen kann. Im Ergebnis zeig­te sich, dass bestimmte Spurenstoffe gut abgebaut werden können. Als breitbandwirksames System ist NanoPur allerdings nicht geeignet, da andere Mikro­schadstoffe nicht oder nur gering entfernt wurden.

Das Marktpotenzial moderner Wasseraufberei­tungstechnik ist hoch, da der Bedarf an sauberem Wasser weltweit enorm steigt. Der Trend geht dabei in Richtung der Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser, was insbesondere im Hinblick auf die Membrankläranlagen interessant ist. Anwender sind dabei sowohl Industrie als auch Kommunen und priva­te Einrichtungen. Der zukünftige Bedarf an Anlagen zur Grauwasseraufbereitung (gering verschmutztes Abwasser, das zu Betriebswasser aufbereitet werden kann) geht in die Millionen. Ein noch weitaus grösserer Markt wird sich in den Entwicklungsländern bieten.

Auswahl von Unternehmen im Geschäfts­bereich Wasseraufbereitung

Veolia Environnement S.A.

Veolia Environnement S.A. ist eine Unternehmens­gruppe, die weltweit Umweltdienstleistungen anbietet, u. a. im Segment Wasser- und Abwasser. Der Bereich ist auf die ausgelagerte Verwaltung von Wasser- und Abwasserdienstleistungen für kommunale Einrichtun­gen und industrielle Kunden spezialisiert.

BWT AG (Best Water Technology)

Die BWT AG (Best Water Technology) mit Sitz in Mondsee in Österreich produziert Spezialchemie und Systeme zur Wasseraufbereitung. Das Produktportfo­lio umfasst das gesamte Spektrum der modernen Auf­bereitungsmethoden, einschliesslich Mikro-, Ultra und Nanofiltration. Das Unternehmen wurde mit mehreren Innovationspreisen ausgezeichnet.

Katadyn

Katadyn ist der Schweizer Spezialist und nach eige­nen Angaben Weltmarktführer für mobile, individuelle Wasseraufbereitungssysteme und -produkte für den Outdoor- und Marinebereich sowie für Industrie und Kommunen.

 

Big Data machts möglich

Blockchain zur Prüfung von Lieferketten, Wasser­aufbereitung durch Mikroalgen, Wassermembran­technologie – das sind nur vier der vielen innovativen Forschungscluster, die aktuell im Bereich Wasser agie­ren. Die Liste der gesamten Cluster wurden mittels Big-Data-Analyse des Systems NETCULATOR erstellt. 

Hier können sie den vollständigen Bericht herunterladen: Innovation Insight – Water