Die bei der Begasung von Getreide in einer Muehle entstehenden unkontrollierten hochgiftigen Methylbromid-Emissionen werden vollstaendig vermieden und das eingesetzte Insektizid zurueckgewonnen und wiederverwertet. Hierzu ist folgende Verfahrenstechnik vorgesehen. Das eingesetzte Giftgas wird vor der Begasung auf einem Adsorberspeicher (Aktivkohle) gebunden und erst mit der zu begasenden Raumluft aus dem Adsorptionsmittel ausgetrieben und in die Muehle geleitet. Nach erfolgter Begasung wird durch umgekehrte Regelung von Temperatur und Druck die mit Schadstoff beladene Raumluft wieder durch das Adsorptionsmittel geleitet, wobei das Giftgas an der Aktivkohle adsorbiert wird. Mittels eines Hochleistungsgeblaeses mit Drosselventil wird ein fuer die Adsorption guenstiger Unterdruck von etwa 0,5 bar und ein fuer die Begasung (Desorption) entsprechender Unterdruck erzeugt. Durch mehrere Absperrhaehne koennen Adsorption und Desorption im Gegenstrom zueinander gefuehrt werden. Das Giftgas wird im Adsorber gespeichert und steht mit einer fahrbaren Anlage fuer eine weitere Nutzung zur Verfuegung. Durch Verringerung des Raumvolumens mittels eines aufblasbaren Verdraengungskoerpers kann der Begasungsaufwand zB bei geometrisch regelmaessig gestalteten leeren Siloraeumen deutlich gesenkt werden. Durch Anpassen der Stufenzahl der Adsorberspeicher an das Begasungsvolumen wird erreicht, dass die Adsorber immer mit annaehernd gleichen spezifischen Bedingungen arbeiten. Die Entsorgung kann durch diese mobile Anlage aeusserst wirtschaftlich durchgefuehrt werden.
Veranlassung
Es fehlen schnelle und vor allem feldtaugliche Methoden zur Detektion von PFAS in der Umwelt, um so zeitnah Maßnahmen zur Minderung von PFAS-Kontaminationen durchzuführen oder den Erfolg von Minderungsmaßnahmen zu beurteilen. Entsprechende Methoden können ebenso helfen, die Prozesssteuerung einer Abwasserbehandlung zur Entfernung von PFAS z. B. durch eine Aktivkohlebehandlung zu optimieren. Das Projekt PFASense hat sich zum Ziel gesetzt, eine solche Methode zu entwickeln. Hierzu werden Elektroden hergestellt, die a) entweder für eine spezifische Detektion perflourierter Verbindungen oberflächenmodifiziert sind und b) biologische Effekte, die durch perflourierte Verbindungen hervorgerufen werden können, mit mikrobiellen Bioreportern elektrochemisch erfassen. Mit den individuellen Signalen der einzelnen Elektroden wird eine KI trainiert und auf diese Weise ein Sensor-Array zur sensitiven Detektion der großen Stoffgruppe der perfluorierten Verbindungen in Umweltproben entwickelt.
Ziele
- a. Design und Herstellung von molekular geprägten Membranen zur Anreicherung spezifischer PFAS.
- b. Design und Herstellung elektrochemischer, bakterieller Biosensoren zur Detektion biologischer Effekte, die durch PFAS hervorgerufen werden.
- c. Design und Herstellung elektrochemischer, hefebasierter Biosensoren zur Detektion einer Veränderung der Thyroid-Signalkaskade durch PFAS.
- d. Design und Herstellung eines intelligenten elektrochemischen Sensors für die direkte chemische Detektion von PFAS mittels KI-gestützter Datenauswertung.
- e. Konstruktion eines mikrofluiden multi-Sensor-Arrays unter Nutzung der in a. bis d. entwickelten Komponenten.
- f. Validierung und Eignungstestung des entwickelten Sensor-Arrays mittels Einzelsubstanzen, Substanzmischungen sowie dotierten und undotierten Realproben mit einem Fokus auf industriellen Abwässern.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer innovativen technologischen Lösung für die folgende Fragestellung: Wie kann man zeitnah Informationen über die Qualität von z. B. Abwässern erhalten, ohne auf verzögert zur Verfügung stehende, analytische Informationen aus einem Labor angewiesen zu sein?
Dieser Bedarf an zeitnahen Informationen für eine Bewertung von Abwasser und Wasserproben kann perspektivisch mittels eines bio-elektrochemischen Sensorarrays gedeckt werden, der im Rahmen des Projekts für den Nachweis von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) entwickelt wird. PFAS werden in zahlreichen Produkten verwendet, darunter wässrige filmbildende Schäume für die Brandbekämpfung, antihaftbeschichtetes Kochgeschirr, Lebensmittelverpackungen, wasserabweisende Stoffe, medizinische Geräte, Kunststoffe und Lederprodukte. PFAS werden jedoch mit verschiedenen, toxikologisch relevanten Effekten in Verbindung gebracht, wie mit veränderten Immun- und Schilddrüsenfunktionen, Leber- und Nierenerkrankungen, Lipid- und Insulinstörungen, Fortpflanzungs- und Entwicklungsstörungen oder auch der Krebsentstehung. Als unmittelbare Folge dieser Gesundheitsrisiken hat die Europäische Kommission einen Vorschlag zur Überarbeitung der Liste der prioritären Stoffe in Oberflächengewässern angenommen, unter denen 24 Verbindungen zur Gruppe der PFAS gehören.
Von 2003 bis 2009 untersuchte die Hochschule Biberach in einem FuE-Vorhaben, wie und in welchem Umfang die organische Restverschmutzung im Ablauf kommunaler Kläranlagen mit Hilfe von Pulveraktivkohle weiter verringert werden kann. Ziel des Vorhabens war es, eine dauerhafte Unterschreitung der CSB-Ablaufwerte von 20 mg/L sicherzustellen. In Voruntersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Produkt'SAE Super' von Norit die höchsten Eliminationsraten hinsichtlich des DOC aufweist, weshalb diese Pulveraktivkohlesorte primär für die Versuche im Durchlaufbetrieb eingesetzt wurde. Mittlerweile zeigen jedoch auch andere Wettbewerber Interesse am Einsatz ihrer Pulveraktivkohleprodukte für diese Verfahrenstechnik. Da die Bewertung der Eliminationsleistung eines Produktes anhand eines Durchlaufversuchs vergleichsweise zeit- und kostenintensiv ist, wird zunächst ein Laborversuch durchgeführt: In biologisch gereinigtes Abwasser werden verschiedene Aktivkohlemengen des zu bewertenden Produktes sowie des Referenzproduktes (hier: Norit'SAE Super') zugegeben und 30 Minuten bzw. 24 Stunden lang gerührt. Nach dieser Zeit wird ein Teil der Probe membranfiltriert, sodass anschließend ein direkter Vergleich der noch vorhandenen, gelösten Verschmutzung möglich ist. Die Firma Chemviron beauftragte die Hochschule Biberach mit der Durchführung dieser Untersuchung, bei der sieben Aktivkohleprodukte des Herstellers getestet wurden.
In der Bundesrepublik Deutschland, insbesondere im Umfeld Thueringens gibt es eine Vielzahl von Altlasten, die mit den verschiedenen Verfahren der Bodenreinigung saniert werden koennen. Bei kostenguenstigen Verfahren, wie z.B. der Bodenwaesche, bleiben bestimmte Schadstoffraktionen als hochbelastete Waesser und Schlaemme zurueck. Soweit es bei dem derzeitigen Stand der Technik wirtschaftlich moeglich ist, koennen sie weiter aufbereitet werden. Hier kommen verschiedene Verfahren, u.a. Einsatz von Aktivkohle, Hochleistungsbiologie, Strippen, und die chemische Oxidation zum Einsatz. Zur Entwicklung weiterer Verfahren zu diesem Zweck ist es erforderlich, begleitende Untersuchungen der einzelnen Verfahrensschritte zu taetigen, um somit zur Verfahrensoptimierung beizutragen und neuartigen Verfahren den Weg zur Einsatzfaehigkeit zu ebnen. Das Forschungsprojekt soll das Profil der Fachhochschule Erfurt in der Umweltanalytik erweitern sowie Gelegenheit geben, ein ueber den Durchschnitt hinausreichendes Fachwissen zu etablieren. Es soll insbesondere dem Fachbereich Versorgungstechnik, der den Aufbaustudiengang Umwelttechnik mit beinhaltet, ermoeglichen, Wirtschaftsunternehmen vor allem in Thueringen Kooperationsmoeglichkeiten anzubieten, die diese fuer die Entwicklung geeigneter Erzeugnisse, Verfahren und Anlagen nutzen koennen, um somit ihre Wettbewerbsfaehigkeit zu steigern.
Zur Spurenstoffelimination aus dem Abwasser beginnen zur Zeit einige Bundesländer mit der Einführung einer 4. Reinigungsstufe auf Kläranlagen. Die dabei gängigen adsorptiven (Aktivkohle), oxidativen, osmotischen sowie bestrahlenden Verfahren können bisher nicht alle Spurenstoffe gleichermaßen gut eliminieren. Mit dem Spurenstoffsurvey soll mittels einer quantitativen und qualitativen Analyse von Spurenstoffströmen in abwassertechnischen Anlagen eine Übersicht über die wichtigsten Spurenstoffe und deren Entfernungsmöglichkeiten aus dem Abwassersystem erstellt werden. Dabei soll das Eliminationspotenzial gängiger technischer Verfahren der 4. Reinigungsstufe zur Bestimmung des Abbaugrades dieser Stoffauswahl ermittelt werden. Ebenso sollen der Stand der Technik und Stand der Wissenschaft dazu ermittelt werden. Um stoffbezogen qualitative und quantitative Erkenntnisse zur Eliminierbarkeit zu gewinnen, sollen vergleichende Analysen von Teilstrombehandlungen vorgenommen werden. Das Forschungsinteresse gilt auch der Untersuchung kausaler Beziehungen zwischen molekularen Eigenschaften von Stoffen und deren Eliminierbarkeit in Kläranlagen. Im Ergebnis soll die Zweckmäßigkeit der betrachteten nachgeschalteten Maßnahmen anhand von Effektivität, Effizienz und technischer Machbarkeit bewertet werden.