Forschung

Lebender Bio-Filter: Wasserreinigung durch Phytoremediation

Ein neuer, alternativer Weg zur Wasseraufbereitung und Reinigung?

Neben unserer phänomenologischen Tropfenforschung unter dem Dunkelfeldmikroskop beschäftigen wir uns auch stark mit alternativen Möglichkeiten der Wasseraufbereitung und -reinigung. Dabei hat es uns im Speziellen die Wasserreinigung durch natürliche Filtration mit Pflanzen angetan.

Wir starten das exotisch anmutende Projekt der Phytoremediation: in diesem speziellen Fall liegt das Anwendungsgebiet bei der Reinigung von Grubenwasser aus Bergwerken durch eingesetzte Wasserhyazinthen und deren filtrierend wirkende Wurzeln.


Wasserhyazinthe in unserem Versuchsbecken

Filtrierende Wurzeln im Detail
 

Reinigung und Filtration von Grubenwasser durch Wasserhyazinthen

Wasserreinhaltung gehört zu den wichtigsten Zukunftsaufgaben eines Landes. Neben dem Brauch- und Süßwasser spielt dabei in Zukunft die Reinigung und Verwendung von Grubenwasser eine zunehmende Rolle. Grubenwasser ist das Sickerwasser, das nach Einstellung der Kohleförderung in Bergwerke eindringt und diese ohne Wasserhaltung zunehmend auffüllt. Es ist geothermisch auf etwa 30 °C erwärmt. Einer direkten Nutzung steht entgegen, dass es auch mit diversen Schwermetallionen kontaminiert und mit Sulfationen belastet sein kann.

Die vom Gesetzgeber veranlasste Stilllegung aller Kohlegruben im Jahr 2018 führt zur Flutung der Bergwerke bis unterhalb des Grundwasserniveaus. Dies hat zur Folge, dass das dann anfallende Grubenwasser zum Schutz des Trinkwassers bis unterhalb des Grundwasserniveaus abgepumpt werden muss. Aus den Bergwerken des Ruhrgebiets wird dabei mit einem Anfall von 40 Mio. Kubikmetern pro Jahr gerechnet. Da durch die Stilllegung der Gruben die Zusammensetzung und die Menge des anfallenden Grubenwassers anthropomorph initiiert wird, fällt das Grubenwasser unter die Bestimmungen des Bundeswasserhaushaltsgesetzes sowie der EU-Wasserrahmenrichtlinie und damit unter die Verpflichtung, Grubenwasser nach dem Grundsatz „b a t, - best available technique“ zu behandeln.


Grubenwasser unter unserem Dunkelfeldmikroskop fotografiert.

Leitungswasser unter unserem Dunkelfeldmikroskop fotografiert.
 

Ein neuartiges Projekt der TAO-Group zur Reinigung von Grubenwasser

Grubenwasser fällt ab 2018 mit der Stilllegung des Kohlebergbaus als industrielles Abwasser an, welches der Wasserrahmenrichtlinie unterliegt. Unsere Projektidee der TAO-Group in Stuttgart besteht darin, biologische Sanierungsstufen, mechanische und elektrochemische Stufen mit einer energetischen Nutzung zu kombinieren und in einem Versuchsprogramm die wirkungsvollsten Parameterkombinationen mit Filter- oder Adsorptionsverfahren zu identifizieren. Bei diesem Vorgehen wird neben der Reinigung auch die geothermische Energieressource des Grubenwassers als Katalysator nutzbar. In diesem Rahmen werden neue Filtermaterialien entwickelt, ein selektiver Adsorptionsfilter aus Keramik, ein Phytofaserfilter zur Adsorption, ein Textilfilter mit photokatalytischer Aktivität und Graphen-beschichtete Keramikelektroden.

Die priorisierte Wasserhyazinthenart ist nicht winterhart; sie stellt für das europäische Ökosystem und das natürliche Gleichgewicht keine Gefahr dar, verdrängt keine europäischen Arten. Ohne Wärme – wie bei unserem Versuch mitgenutzt – stirbt die Pflanze ab.
 

Die Projektschritte und Innovationen der Phytoremediation

Für die Sanierung von Grubenwasser soll ein mehrstufiges Verfahren erprobt werden. Dies besteht aus einer biologischen Stufe (Phytoremediation) mit vor- und nachgeschalteten mechanischen Filterstufen. Die biologische Stufe auf pflanzlicher Basis reduziert die Schadstoffkonzentration im Wasser über die Einlagerung von Schwermetallionen in das Wurzelwerk der Pflanzen. Sie nutzt dabei aktiv die Erdwärme des Grubenwassers als Wachstumsverstärker im quasi tropischen Milieu. Ein weiterer Wachstumsverstärker der biologischen Stufe ist die Düngung. Die biologische Stufe soll den überwiegenden Teil der Grubenwasserbelastung entfernen, ist aber in ihrer Leistung durch externe Einflussfaktoren bestimmt, so dass die nachgeschalteten Filterstufen zur Stabilisierung und zum Abbau emittierter Stoffe dienen. Die mechanischen Stufen beziehen sich auf die Erprobung von Filterung und Adsorption. Hierzu werden angepasste Filter entwickelt, die die Standardfilter ersetzen oder ergänzen.

Ein begleitendes Pflanzen- und ein Wasser-Monitoring soll die Leistungsfähigkeit von aktiven biologischen Verfahren mit integrierter technischer Filterung aufzeigen. In dem Vorhaben soll erforscht werden, welche Reinheitsstufe mit der neuen Verfahrenskombination sinnvoll erreicht werden kann. Die Untersuchungen sollen in einer zu erstellenden Pilotanlage mit drei bis vier Becken von je 4 m Breite und 8 m Länge erfolgen, in denen die Parameterkombinationen systematisch studiert werden können. Das Grubenwasser durchfließt diese Becken bis zur Endreinigungsstufe und wird durch anstehendes Grubenwasser auf Temperatur gehalten. Die Becken sind treibhausähnlich abgedeckt.

 

Nachhaltigkeit durch u.a. Nutzung der Pflanzenfasern

Zur Nachhaltigkeit trägt neben der Ressourcenschonung bei, dass ein Teil der erzeugten Biomasse im Projekt zur Filterproduktion verwendet werden soll und die erzeugte Biomasse energetisch und stofflich genutzt werden kann, so dass ein Teil der eingesetzten Erdwärme und Solarenergie einer weiteren direkten energetischen Nutzung wieder zugänglich wird. Zusätzlich handelt es sich bei den maßgebend eingesetzten Energieformen Erdwärme und Solarenergie um regenerative Energieformen mit möglichst niedrigem Kostenaufwand.


Verwendung von Wasserhyazinthenfasern zur Korbproduktion

Eine sinnvolle Staffelung der eingesetzten Verfahren könnte wie folgt aussehen:

  1. Die mechanischen Standardfilter zur Beseitigung der groben Feststoffe und Schwebeteilchen und die Phytoremediation zur Beseitigung der Schwermetalle und Sulfat- und Chloridionen bilden die grundlegende Stufe des Verfahrens.
  2. Der Phytofaser-Adsorptionsfilter bildet die zweite Stufe, ebenfalls zur Beseitigung der Schwermetalle und/oder Sulfat- und/oder Chloridionen. Sie dient als erste Stabilisierungsstufe des Verfahrens und steht wegen der erwarteten Kosteneffektivität an dieser Stelle.
  3. Die Textilfaser mit Photokatalytik bildet die nächste Stufe nur zur Beseitigung organischer Restmoleküle.
  4. Die Elektrochemische Stufe dient als zweite Stabilisierung zur Beseitigung der Schwermetalle und Sulfat- und Chloridionen. Sie erhöht den energetischen Einsatz, bringt durch ihre Leistungsflexibilität ein hohes Maß an Sicherheit.
  5. Die Keramische Adsorptionsstufe bildet den Abschluss und dient als abschließende Sicherung.
 

Im Detail: Was ist Phytoremediation?

Seit über 60 Jahren Gegenstand der internationalen Forschung, wurde eine große Palette an Pflanzen auf Eignung zur Hyperakkumulation diverser chemischer Sub-stanzen wie Schwermetallionen, Radionuklidionen und organischer Lösungsmittel untersucht. Für die spezielle Aufgabe, schwermetallbelastetes Grubenwasser über Phytoakkumulation und Extraktion zu sanieren, erscheint die Gattung der Wasserhyazinthen geeignet. 2015 aktuelle zusammenfassende Veröffentlichungen über das Potenzial der Pflanze stellen Narang, Rahman, Sood dar. Hierin zeigt sich, dass die Wasserhyazinthe für Spuren von Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Eisen, Kupfer, Nickel, Quecksilber, Uran, Zink nachgewiesen zur Akkumulation geeignet ist. Die Ergebnisse beziehen sich auf Laborforschungen und praktische Felduntersuchungen in tropischen Gewässern.

 

Die dafür von TAO ausgesuchte Wasserhyazinthen-Art besitzt


Wasserhyazinthe in Blüte
  • eine Größe, die es erlaubt, bei der Ernte die erhöht belasteten submersen Teile abzutrennen und gezielt weiter zu verwenden,
  • eine besonders hohe Wachstumsrate,
  • keinerlei Winterhärte, so dass sie, unabsichtlich in Biosysteme im gemäßigten Klima emittiert, kein invasives Problem darstellt und so über die Wassertemperatur effektiv kontrolliert werden kann,
  • eine hohe Eignung zur Akkumulation diverser Schwermetallionen und chemischer Substanzen,
  • die Möglichkeit zur weiteren Nutzung schwach belasteter Pflanzenteile.
 

Unser neuer Versuchsansatz für Phytoremediation

Unsere Anwendung für Grubenwässer in gemäßigtem Klima ist neu und innovativ und nur unter zusätzlicher Nutzung von Grubenwasser als geothermischer Wärmequelle energiesparend zu bewältigen.

 

Stand des Projektes der Phytoremediation bei der TAO-Group:

Derzeit laufen in unserem Labor und einem teilnehmenden Institut erste Tests zum Wachstums- und Pflanzenverhalten der ausgesuchten Wasserhyazinthen-Art.

Parallel dazu wurde das Grubenwasser hinsichtlich der Beschaffenheit und Inhalte untersucht (ph-Werte, Mineralien, sonstige Inhalte).

Wachstumsversuche in Grubenwasser mit Wasserlinsen (der sogenannte Lemna-Test) werden durchgeführt (Institut).

Es folgt in einem zweiten Schritt das Einsetzen der Wasserhyazinthen in das bereitgestellte Grubenwasser und Filtrationsversuche.

Projekt- bzw. Forschungspartner sind neben der TAO Group Stuttgart (Initiator) u.a. die Universität Hohenheim.

Für interessierte Nachfragen zum Projekt senden Sie uns bitte eine Email an: dialog@weltimtropfen.de.