Forschung eliminiert Spurenstoffe für höhere Wasserqualität

In seinen Händen hält er einen Doktorhut. Jeder Gegenstand auf der viereckigen schwarzen Platte erinnert ihn an die vergangene Zeit. Die mit Schilf bepflanzten Bodenfilter, die Säulen samt Pipettenspitzen, der Behälter mit Granular-Aktivkohle, das Wassermolekül. Der Hut ist ein Geschenk von Kollegen am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen der Hochschule Bochum. „Jeder Gegenstand hat mich während meiner Promotion begleitet“, sagt Dr. Luca Marco Ofiera. Er lächelt und verrät: „Auch die gefüllten Piroggen, die ich häufig in der Mensa gegessen habe und noch viel mehr die rote Kaffeetasse.“

Dr. Luca Marco Ofiera promovierte an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen in Kooperation mit der Hochschule Bochum. Im Fokus seiner Promotion? Wasser. „Studien zeigen, dass der globale Wassersektor in den vergangenen Jahren zunehmend unter Druck geraten ist. Der weltweite Wasserverbrauch ist wissenschaftlichen Modellen zufolge im vergangenen Jahrhundert um das sechsfache angestiegen“, berichtet Dr. Luca Marco Ofiera. Gründe dafür liegen etwa im Bevölkerungswachstum und Klimawandel. Das führt zu einem Ungleichgewicht zwischen Wasserversorgung und Wasserbedarf, besonders in Regionen, in denen Wasser knapp ist. Für den wissenschaftlichen Mitarbeiter am Lehrgebiet für Wasserwesen der Hochschule Bochum wird die kreislauforientierte Wiederverwendung des kommunalen Abwassers daher immer bedeutender. „Sie setzt eine ausreichende Aufbereitung des Abwassers voraus, vor allem aufgrund organischer und anorganischer Spurenstoffe im kommunalen Abwasser.“

Zu organischen Spurenstoffen zählen Pharmazeutika, Pestizide oder Haushaltsreiniger, zu anorganischen Spurenstoffen gehören Schwermetalle. „Die Spurenstoffe gelangen über Haushalte, die Industrie und Niederschläge ins kommunale Abwasser und liegen häufig in geringen Konzentrationen im Bereich Nano- oder Mikrogramm pro Liter vor. Sie können langfristig Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit haben“, erklärt der Wissenschaftler. In seiner Dissertation untersucht er das Potenzial modifizierter Pflanzenkläranlagen zur Elimination organischer und anorganischer Spurenstoffe aus kommunalem Abwasser. Auf die naturbasierten Technologien wird er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im EU-finanzierten Projekt Pavitra Ganga aufmerksam. In einem internationalen Team forscht er dort nach Lösungen für die Aufbereitung und Wiederverwendung von Abwässern in Indien.

„In Kanpur und Neu-Delhi haben wir sieben Technologien zur Abwasseraufbereitung erprobt, um organische und anorganische Stoffe, wie sie in Indien zum Beispiel über Gerbereien in den Ganges gelangen, zu eliminieren.“ Darunter: Pflanzenkläranlagen zur Optimierung der Nachbehandlung von kommunalem Abwasser aus konventionellen Kläranlagen. „Konventionelle Kläranlagen sind nicht primär auf den Abbau von Spurenstoffen ausgelegt, daher ist eine Weiterbehandlung der Abwässer notwendig. In Europa erfolgt das über zusätzliche Behandlungsstufen wie Ozon oder Aktivkohle“, erklärt Dr. Luca Marco Ofiera. Genau dort schließt seine Dissertation an. Seine Idee: Pflanzenkläranlagen mit Biokohle, Aktivkohle und dem natürlichen Mineral Zeolith zu optimieren und als nachgelagerte Filterstufe zu nutzen.

Im Labor für Siedlungswissenschaft am Bochumer Campus erprobt er unter anderem mit Kleinsäulentests die Schadstoffaufnahme unterschiedlicher Arten von Aktivkohle und natürlichem Zeolith. „Dabei wird das aufbereitete Abwasser aus der Kläranlage kontinuierlich durch eine Glassäule geleitet, die mit dem spezifischen Filtermaterial gefüllt ist. So konnte ich die Schadstoffaufnahme auch unter veränderten Verhältnissen von Aktivkohle zu Zeolith und wechselnden Wasserparametern wie dem pH-Wert evaluieren.“ Im Mittelpunkt seiner Forschung steht dabei das Abwasser einer Kläranlage in Kanpur, am Ufer des Ganges, in dessen Nähe sich ein Gerberei-Gebiet befindet. „Das Abwasser enthält Spurenstoffe und wird zu einer rund 2.500 Hektar, stadtnah liegenden landwirtschaftlichen Nutzfläche geleitet. Ich habe unzählige Tests durchgeführt. Anfangs haben sich Säulen bei der Abwasseranalyse zugesetzt, sodass das Wasser nicht durchfloss. Eines Morgens kam ich auch ins Labor und die Schläuche waren über Nacht aufgrund der verstopften Säule abgeplatzt. Es kam auch vor, dass nach mehreren erfolgreichen Durchläufen, plötzlich ein fehlerhafter dabei war, weil auch das Abwasser nicht jeden Tag gleich ist. Scheitern lernen und das auch auszuhalten, gehört zu einer Promotion dazu. Wichtig ist, flexibel zu bleiben, nicht aufzugeben und gegebenenfalls den Weg anzupassen, dann kommt man ans Ziel.“

Um die Praxistauglichkeit unter variierenden Umweltbedingungen und hydraulischen Belastungen zu bewerten, baut der Ingenieur auf der technischen Versuchsanlage des Klärwerks Emschermündung in Dinslaken Pilotanlagen auf. Zunächst eine klassische Pflanzenkläranlage auf Sand-Kalkstein-Basis. „Parallel vier modifizierte Pflanzenkläranlagen: Bei diesen gaben wir in der obersten Schicht Biokohle hinzu. In der untersten Schicht fügten wir bei einer Anlage Aktivkohle hinzu, bei einer zweiten Anlage Zeolith und bei einer dritten Anlage Aktivkohle plus Zeolith. In einer vierten Anlage haben wir die Aktivkohle-Zeolith-Schichten vergrößert, um den Einfluss der Filterdicke zu untersuchen“, fasst Dr. Luca Marco Ofiera zusammen. Bepflanzt wurden die Anlagen mit Rohr-Schilf. „Anschließend wurden alle Anlagen mit vorbehandeltem kommunalem Abwasser, das direkt dorthin geleitet wurde, vertikal und schrittweise durchströmt. In jeder Schicht steckten Probenahmerohre, mit denen wir messen konnten, wie stark die Spurenstoffkonzentration in den Filtern abnimmt.“

Zwei Jahre werden die Pilotanlagen betrieben. „Die Kombination aus Aktivkohle und Zeolith lieferte die besten Ergebnisse“, erläutert der Umwelt-, Hygiene- und Sicherheitsingenieur. „Im Vergleich zur herkömmlichen Pflanzenkläranlage, entfernten die modifizierten Pilotanlagen alle organischen und anorganischen Spurenverbindungen unterhalb der Bestimmungsgrenze, das Wasser entsprach den Anforderungen der heutigen EU-Kommunalabwasserrichtlinie. Insbesondere Anlagen mit Aktivkohle zeigen eine signifikant höhere Elimination einer Vielzahl von Spurenstoffen, eingeschlossen PFAS. Das sind sogenannte per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, die wasser-, fett- und schmutzabweisend sind und sich in der Natur nicht abbauen. Zeolith fördert besonders die Schwermetallentfernung“, berichtet Dr. Luca Marco Ofiera. Hinzu käme, dass die optimierten Anlagen eine kosteneffiziente, energiearme und umweltfreundliche Lösung darstellen. „Es lohnt sich daher, die naturbasierten Verfahren weiterzuentwickeln. Wobei man festhalten muss: Die Wahl der Filterschichten hängt auch von standortspezifischen Bedingungen ab, etwa der Abwasserzusammensetzung, dem Standort der Anlage und ihrer Größe.“

Wissenschaftlich begleitet wurde die Promotion von Prof. Dr. Thomas Wintgens (RWTH Aachen) und Prof. Dr. Christian Kazner (Hochschule Bochum) sowie Prof. Dr. Silvio Beier (Bauhaus Universität Weimar). „Ich wollte zeigen, dass es nicht zwingend technische Anlagen braucht, sondern wenn wir die Kraft der Natur bündeln, wir die Spurenstoffe im Abwasser signifikant reduzieren können“, sagt Dr. Luca Marco Ofiera. „Wenn man solch ein Promotionsvorhaben angeht, erwartet man nicht, die Kernprobleme der Wasserwirtschaft in Indien allesamt lösen zu können. Aber die Arbeit zeigt das Potenzial und die Wirksamkeit modifizierter Pflanzenkläranlagen in der weitergehenden kommunalen Abwasserreinigung. Sie eröffnet Möglichkeiten für die landwirtschaftliche Wiederverwendung des Abwassers und begegnet dem Problem der zunehmenden Wasserknappheit. Mit den Ergebnissen kann ich daran teilhaben, dass sich die Abwasserlage in Indien zumindest ein wenig verbessert. Auch haben wir wertvolle Erkenntnisse zur dezentralen Abwasserbehandlung in Industrieländern gewinnen können.“

Bericht: Daniela Schaefer, Online-Redakteurin.