Entfernung von PFAS aus Abwasser durch Koagulation und Flockung

• 1. Die neue Richtlinie (EU) 2024/3019 verschärft die regulatorischen Auflagen für PFAS im Wasser.
• 2. Was sind PFAS und warum sind sie ein Problem?
• 3. Beschreibung des Zuflusses.
  4. Erfolgsbeispiel: Abwasser aus der Bodenreinigung im Tiefbau
  4.1. Angewandte Behandlungsabfolge
  4.2. Ergebnisse
• 5. Schlussfolgerungen

1. Die neue Richtlinie (EU) 2024/3019 verschärft die regulatorischen Auflagen für PFAS im Wasser

Die Richtlinie (EU) 2024/3019 des Europäischen Parlaments und des Rates über die Behandlung von kommunalem Abwasser stärkt den europäischen Rechtsrahmen im Bereich neu auftretender Schadstoffe und legt strengere Auflagen für die Beseitigung von Stoffen wie PFAS ( per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen) in Abwasserentsorgungs- und -behandlungssystemen fest.

Diese Richtlinie, die die bisherige Regelung aus dem Jahr 1991 aktualisiert und aufhebt, macht deutlich, dass die Wasserwirtschaft wirksame, skalierbare und wirtschaftlich tragfähige technologische Lösungen benötigt, um diesen Schadstoffen zu begegnen. In diesem Zusammenhang kommt den Ergebnissen, die die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von SIGMADAF bei Versuchen zur PFAS-Entfernung erzielt hat, besondere Bedeutung zu.

2. Was sind PFAS und warum sind sie ein Problem?

PFAS sind eine Gruppe synthetischer Verbindungen, die seit Jahrzehnten bei der Herstellung von Industrie- und Konsumgütern wie Löschschaum, Lebensmittelverpackungen, wasserabweisenden Textilien oder Küchenutensilien verwendet werden. Aufgrund ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität, ihrer geringen biologischen Abbaubarkeit und ihrer Bioakkumulationsfähigkeit sind sie sowohl in der Umwelt als auch im menschlichen Körper schwer abbaubare Schadstoffe.

Trinkwasser ist der Hauptweg, über den Menschen PFAS ausgesetzt sind, und diese Stoffe lassen sich bereits in Konzentrationen von nur wenigen ng/L nachweisen.

Die in der Umwelt am häufigsten nachgewiesenen PFAS sind Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluoroctansulfonsäure (PFOS), obwohl die Familie sowohl kurzkettige als auch langkettige Verbindungen umfasst, die sich bei herkömmlichen Behandlungsverfahren unterschiedlich verhalten.

3. Beschreibung des Abwassers

Fortschrittliche Technologien zur PFAS-Entfernung – granulierte Aktivkohle, Ionenaustausch, Hochleistungsmembranen oder fortschrittliche Redoxverfahren – bieten ein hohes technisches Potenzial, doch ihre Betriebs- und Investitionskosten machen sie in vielen industriellen Kontexten unrentabel. Daher ist es notwendig, herkömmliche physikalisch-chemische Verfahren, insbesondere die Koagulation und Flockung, zu optimieren, um ihre Effizienz bei der Beseitigung dieser Mikroverunreinigungen zu maximieren.

Die Koagulations-Flockung ist aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer Wirksamkeit bei der Entfernung von Kolloiden, Schwebstoffen und gelösten organischen Stoffen ein Standardverfahren in der Wasseraufbereitung. PFAS werden während des Prozesses an die Komplexe aus Koagulierungsmittel und organischen Stoffen adsorbiert und zusammen mit den Feststoffen in den entstehenden Flocken entfernt. Diese Flocken mit geringer Dichte eignen sich besonders gut für die Abscheidung durch Dissolved-Air-Flotation (DAF).

Der Schlüssel zur Maximierung der PFAS-Entfernung liegt in der Koagulation unter Einsatz spezieller Additive: modifizierte Polymere mit mittlerer bis hoher Ladungsdichte, die speziell darauf ausgelegt sind, die Bildung stabiler Komplexe mit den anionischen Gruppen der PFAS zu fördern. Die Dosierung muss präzise erfolgen, da eine Über- oder Unterdosierung den Prozess umkehren und die PFAS wieder in die wässrige Phase überführen kann.

4. Erfolgsbeispiel: Abwasser aus der Bodenreinigung im Tiefbau

Das Labor SIGMALAB, das zur Forschungs- und Entwicklungsabteilung von SIGMADAF gehört, führte physikalisch-chemische Aufbereitungstests an einem Abwasser durch, das aus der Reinigung kontaminierter Böden im Rahmen eines Tiefbauprojekts stammte. Ziel war es, die Machbarkeit eines Systems aus unterstützter Koagulation und Flockung zur Entfernung einer Reihe von 17 PFAS-Mikroverunreinigungen und Fluorotelomeren zu bewerten, darunter PFOS, PFOA, PFHxS, PFHxA sowie die Verbindungen FTS 6:2 und 8:2.

4.1. Angewandter Behandlungsablauf

Die chemische Verbindung, die sich als am wirksamsten erwies, war:

• Eisen(III)-chlorid (FeCl₃) als Basis-Flockungsmittel
• Spezielles Flockungsmittel für PFAS (SPEC-1), kationisches Polymer mit hoher Ladungsdichte
• Kationisches Flockungsmittel (kationisches Polyacrylamid mittlerer Molekulargewichtsverteilung)

Die Reaktionszeiten sind ein entscheidender Faktor für die Effizienz des Verfahrens, insbesondere bei der Reaktion mit dem Spezialkoagulierungsmittel, wobei in diesem Fall eine Kontaktzeit von 15 bis 30 Minuten erforderlich ist. Die gebildeten Flocken sind konsistent und von geringer Dichte, wodurch sie sich optimal für die Abscheidung mittels eines Flotationssystems mit aufgelöster Luft (DAF) eignen.

4.2. Ergebnisse

Der wirksamste Versuch erreichte eine Gesamtabscheidung von 84 % der Summe der PFAS-Mikroverunreinigungen, wodurch die Gesamtkonzentration von 3.731 µg/l in der Ausgangsprobe auf 0,60 µg/l im Klärgut reduziert wurde. Langkettige Verbindungen wie PFOS, PFOA, PFHxS und PFDA wiesen die höchsten individuellen Eliminationsraten auf. Kurzkettige PFAS (PFBA, PFPeA) zeigten eine höhere Behandlungsresistenz, was mit der vorhandenen wissenschaftlichen Literatur übereinstimmt.

Durch Hinzufügen einer Polishing-Stufe mit pulverförmiger Aktivkohle (PAC) oder einem speziellen PFAS-Adsorbens lässt sich die Gesamtabscheidungsrate auf über 95 % steigern .

5. Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse zeigen, dass die durch PFAS-spezifische Produkte unterstützte Koagulations-Flockung in Verbindung mit einem DAF-System eine technisch und wirtschaftlich tragfähige Lösung für die Behandlung von PFAS-haltigem Industrieabwasser darstellt. Dieser Ansatz ist angesichts der steigenden Anforderungen der Richtlinie (EU) 2024/3019 und der Notwendigkeit für die Branche, über echte operative Alternativen für neu auftretende Schadstoffe zu verfügen, von besonderer Bedeutung.