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Solarstrahlung als wirkungsvolle Basis zur Wasser- und Abwasserbehandlung

Von Inmaculada Polo, Isabel Oller, Sixto Malato, Manuel Ignacio Maldonado

Die Forschungsgruppe STW (Solar Treatment of Water) gehört zu PSA (Plataforma Solar de Almería), einer Division des spanischen Forschungszentrums CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas).

PSA ist eine große Europäische Forschungseinrichtung und beherbergt das größte europäische Laboratorium für Solarenergieanwendungen. Auch in Spanien ist die Forschungs- und Technologieinfrastruktur von PSA einzigartig.

Foto: PSA CIEMAT

PSA arbeitet aktiv an Demonstrationsprojekten unterschiedlicher solarer Technologien auf nationaler und internationaler Ebene, mit dem Hauptziel, die Technologiekosten zu senken und die Effizienz zu steigern, um die effektive Erzeugung von Solarstrom sowie die Etnwicklung von chemischen Anwendungen, Entwicklung und Testung von Materialien unter extremen Bedingungen, Abwasserbehandlung, Meerwasserentsalzung etc. voranzutreiben.

Forschungsgebiete der Gruppe solare Wasserbehandlung (STW)

Die Hauptaufgabe der STW-Gruppe von CIEMAT PSA ist die Wasserreinigung durch Solartechnologien, wobei die Forschungen die Bewertung neuer Photo-Katalyse-Methoden, Strategien für industrielle Abwasserbehandlung, Entfernung von Mikro-Verunreinigungen, die zunehmend an Wichigkeit gewinnen, Trinkwasserbehandlung und Desinfektion sowie Wasserstoffproduktion umfassen. Die Forschungsaktivitäten der Gruppe werden durch die aktive Teilnahme an einer Anzahl von europäischen und nationalen Projekten im Zusammenhang mit Behandlung, Desinfektion und Wiederverwendung von städtischen und industriellen Abwässern unterstützt.

Angesichts der Wasserknappheit in vielen Gegenden der Welt fokussieren sich die Forschungsarbeiten außerdem auf den Nachweis der Leistungsfähigkeit von Solartechnologien im Hinblick auf die Verbesserung der chemischen und mikrobiellen Qualität von bereits verunreinigten Wasserquellen. In diesem Zusammenhang werden auch verschiedene Wassereinsparungsmöglichkeiten durch die Behandlung von industriellen und städtischen Abwässern und deren Wiederverwendung in der Landwirtschaft, einem der großen Frischwasserverbrauchern weltweit, untersucht.

Verunreinigungen zunehmender Wichtigkeit

Die Verunreinigung von Wasser wird hauptsächlich in zwei große Bereiche unterteilt: Chemikalien und Mikroorganismen. Laufende Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf sogenannte „Verunreinigungen von zunehmender Wichtigkeit“ (Contaminants of Emerging Concern - CEC). Diese CECs erfahren spezielle Aufmerksamkeit, da diese Verunreinigungen noch nicht reguliert werden, aber Kandidaten für zukünftige Regulierung sind angesichts ihrer potenziell schädlichen Wirkung sowie ihrem vermehrten Vorkommen in der Umwelt. Zu diesen Verunreinigungen zählen pharmazeutische Produkte, Antibiotika, Schmerzmittel, Steroide, Hormone, Cyanotoxine etc. In Bezug auf mikrobielle Verunreinigungen liegt das Interesse besonders auf antibiotikaresistenten Bakterien. Dabei handelt es sich um in Wasser natürlich vorkommende Bakterien, die die erworbene Fähigkeit besitzen, in Gegenwart eines weiten Antibiotikaspektrums zu überleben. Diese Verunreinigungen treten in städtischen Kläranlagen in verstärktem Maße auf und wurden daher als Hotspots für deren Ausbreitung aufgrund des Zusammentreffens und der Interaktion von Antibiotika und Pathogenen identifiziert.

Oxidationsprozesse als vielversprechende Wasser-Behandlungsverfahren

Hochentwickelte Oxidationsprozesse sind nachgewiesenermaßen vielversprechende Behandlungsverfahren zur Verbesserung der Abwasserqualität, indem sie die Anwesenheit von Verunreinigungen (chemisch und biologisch) auf ein definiertes Maß reduzieren. Sie beruhen auf der oxidativen Fähigkeit von Hydroxyl-Radikalen, die durch Fenton, Photo-Fenton, Titandioxid-Photokatalyse, UV/Ozon, und UV/ Wasserstoffperoxid Prozesse erzeugt werden. Bekanntermaßen werden in diesen Oxidationsprozessen die Verfahrenskosten durch Anwendung von natürlichem Sonnenlicht verringert. In den letzten Jahren hat der solare Photo-Fenton-Prozess das Interesse der Forscher nicht nur aufgrund des Abbaus von organischen Substanzen und CECs geweckt, sondern auch aufgrund des Desinfektionseffekts. Zusätzlich könnte die Leistungsfähigkeit von modernen Oxidationsprozessen durch die Verwendung von CPC-Kollektoren (compound parabolic collector) verbessert werden.

Schema der Implementierung eines Solarprozesses zur Behandlung von Abwässern aus der Produktion von geschnittenen Frischprodukten unter Verwendung von innovativen Oxidationsprozessen in einer Pilotanlage der Plataforma Solar de Almeria (PSA) zur weiteren Verwendung für die Bewässerung von Rohgemüse (im Rahmen eines nationalen spanischen Projektes - Water4Food)

Beispielhafter Einsatz innovativer Oxidationsprozesse

Im Rahmen eines nationalen spanischen Projektes (Water4Food – dreijähriges Forschungsprojekt, das im Dezember 2017 abgeschlossen wurde) wurden innovative, nachhaltige Prozesse einschließlich innovativer Oxidationsprozesse (Ozon/Wasserstoff-peroxid, Solar Photo-Fenton, Wasserstoffperoxid/Solarstrahlung) für die Behandlung der Abwässer, die in der Produktion von geschnittenen Frischprodukten anfallen, eingesetzt. Dieser Industriezweig erzeugt Früchte und Gemüse, das bereits gewaschen, geschnitten und essfertig verpackt wird. Chlorierung ist die bisher hauptsächlich eingesetzte Methode zur Steuerung der mikrobiellen Belastung während des Gemüsereinigungsprozesses. Dieser Prozess wird jedoch langsam aufgrund der potenziell kanzerogenen Derivate, die durch Reaktion von Chlor mit organischen Substanzen entstehen, ersetzt. Der Fokus des Projekts lag auf der Bewertung von unterschiedlichen Oxidationsprozessen zur Behandlung der Abwässer, die mit Kolibakterien oder Salmonellen sowie einem Cocktail von Pestiziden verunreinigt waren. Die Pilotanlage zur Behandlung der Abwässer erlaubte eine Wiederverwendung des Wassers für die Reinigung des Gemüses sowie für die Bewässerung von Rohgemüse wie Radieschen oder Salat.

MitarbeiterInnen der Forschungsgruppe STW (Solar Treatment of Water) bei PSA/CIEMAT. Foto: PSA CIEMAT

Weiterführende Informationen

  • Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: Recent overview and trends. Catalysis Today, Vol. 147, Iss. 1 (2009) 1-59.
  • Solar photo catalytic detoxification and disinfection of water: Recent overview. Journal of Solar Energy Engineering, Transactions of the ASME, Vol. 129, Iss. 1 (2007) 4-15.
  • Combination of Advanced Oxidation Processes and biological treatments for wastewater decontamination—A review. Science of the Total Environment, 409 (2011) 4141–4166.
  • Solar disinfection is an augmentable, in situ-generated photo-Fenton reaction—Part 2: A review of the applications for drinking water and wastewater disinfection. Applied Catalysis B: Environmental, 198 (2016) 431–446.
  • Decontamination and disinfection of water by solar photocatalysis: The pilot plants of the Plataforma Solar de Almeria. Materials Science in Semiconductor Processing, 42 (2016) 15–23.

AutorInnen

Dr. M. Inmaculada Polo ist wissenschaftliche Mitarbeiterin der Forschungsgruppe „Solare Wasserbehandlung“ bei PSA/CIEMAT. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Dr. Isabel Oller Alberola leitet die Forschungsgruppe „Solare Wasserbehandlung“ bei PSA/CIEMAT. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Prof. Sixto Malato ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe „Solare Wasserbehandlung“ bei PSA/CIEMAT. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Dr. M. Ignacio Maldonado ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe „Solare Wasserbehandlung“ bei PSA/CIEMAT. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

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