KMU-innovativ Verbundprojekt UVPHON: Innovative Verfahrenskombination aus Naturfaservlies, UV-LED und Photooxidation zur Wasserreinigung im Re-Use-Prozess, Teilprojekt 2"

UVPHON

Thema und Zielsetzung des Vorhabens

Um gereinigtes Abwasser, sog. Klarwasser, für die landwirtschaftliche Bewässerung oder Wasser in der intensiven Süßwasser-Aquakultur wiederzuverwenden, muss dieses desinfiziert werden (EU, 2020). In diesem Projekt, UVPHON, soll die UV-LED-basierte Verfahrenstechnologie zur Abwasserdesinfektion innovativ und nachhaltig angepasst, optimiert und bis zu einem Demonstrator als Vorstufe eines markreifen Systems weiterentwickelt werden. Die UV-LED-Technologie findet bisher vorrangig in der Trinkwasseraufbereitung als point-of-use-Anwendung statt, da zu starke Trübung und die damit verbundene UV-Absorption an der Wassermatrix von gereinigtem Abwasser die Wirksamkeit mindern und den Einsatz deshalb unwirtschaftlich machen kann. Diese Einschränkung soll durch die Entwicklung eines optimierten Reaktordesigns, dem zusätzlichen Behandlungsschritt der Filtration, der Kombination von UV-LED-Desinfektion mit der Photooxidation, und einer intelligenten Prozesskontrolle und Steuerung mittels online Sensorik ausgeräumt werden. Mit der Weiterentwicklung der Steuerung sowie der Kombination von Behandlungsschritten werden die bisherigen Einschränkungen in der Anwendung beseitigt und die sichere und kosteneffiziente Wiederverwendung von Abwasser bspw. zur Bewässerung von Gemüseanbauflächen und in der rezirkulierenden Aquakultur ermöglicht. Zusätzlich bietet die UV-LED-Technologie Vorteile hinsichtlich periodischer Betriebsweise (keine Aufwärmzeit), höherer Robustheit, längerer Lebenszeit von LEDs mit höheren Wellenlängen gegenüber anderen UV-Strahlungsquellen. So hat die UV-LED-Technologie großes Potential, unter den zukünftigen Randbedingungen des Klimawandels und der Ressourcenschonung, auch in der Wiederverwendung komplexerer Wässer, wie gereinigtes Abwasser, weltweit an Bedeutung zu gewinnen. Voraussetzung ist jedoch die Lösung der technologischen Herausforderungen und die Steigerung der Kosteneffizienz für die Behandlung von trüben Wässern. Die technologischen und wirtschaftlichen Teilziele des Projekts sind deshalb:

Z1:   Vorbehandlung des getrübten Wassers basierend auf Filtration mit ökologischen Textilgeweben und anschließende Photooxidation mittels photokatalytisch aktiver Materialien,

Z2:   Entwicklung einer Strahlungsquelle und eines Reaktordesigns zur effizienten Desinfektion von behandeltem Abwasser,

Z3:   Entwicklung eines intelligenten Steuersystems zum Betrieb der Strahlungsquellen für die bedarfsgerechte Behandlung, d.h. in Abhängigkeit von der Wasserqualität und unter Nutzung von online-Sensorik,

Z4:   Steigerung der Behandlungseffizienz der UV-Wasserdesinfektion bei der Wasserwiederverwendung am Beispiel der Abwasserwiederverwendung in der Aquakultur,

Z5:   Entwicklung der Technologie bis hin zur Marktreife, d.h. Erhöhung des Reifegrades von 5 (Labortestsystem) auf 7/8 (Demonstration des Piloten) und

Z6:   wirtschaftliche Erschließung eines neuen nationalen und internationalen Markts im Wassersektor für die HydroTec Selb GmbH (HTS).

Um die Ziele Z1 bis Z4 zu erreichen, werden Laborversuche zur Optimierung der Strahlenquelle, des Reaktordesigns und der Vorbehandlung bspw. mittels Filtration durchgeführt. Das Reaktordesign wird durch Fluid- und Wärmesimulationen unterstützt. Die Minderung der Resttrübung durch die vorgeschaltete Filtration z.B. mittels nachhaltiger Vliesstoffrohre ist für die Wiederverwendung des behandelten Abwassers entscheidend. Ferner wird durch die Kombination der geplanten UV-LED-Desinfektionstechnologie mit einer photokatalytischen Behandlung die Nutzung eines größeren UV-Wellenlängenbereichs bis 380 nm möglich, was die Standzeiten verlängert und die Effizienz des Systems steigert. Des Weiteren wird erwartet, dass die Photokatalyse einen positiven Effekt auf die UV-Desinfektionswirkung hat, da sowohl die Mikroorganismen inaktiviert werden als auch Wasserinhaltstoffe, die zur UV-Absorption beitragen oxidiert werden. Außerdem können Spurenstoffe wie Pharmazeutika durch die Photooxidation eliminiert werden. Ferner wird mit der Kopplung von online-Sensoren zur Überwachung der Wasserqualität und der Bestrahlungsdosis eine intelligente und bedarfsgerechte Bestrahlung ermöglicht. Schließlich werden die Erkenntnisse aus Labor- und Technikumsversuchen zur Realisierung einer Pilotanlage und zur Planung des Anlagenbetriebs genutzt. Mit dieser Pilotanlage werden die Betriebsbedingungen für den sicheren und effektiven Langzeitbetrieb der UV-LED Wasserdesinfektion ermittelt (Z5-Z6).