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- Aktivkohle ist eine wirksame Technologie, um PFAS aus flüssigen und gasförmigen Strömen zu entfernen.
- Ein neues Verfahren reaktiviert die verbrauchte Aktivkohle, während PFAS vollständig abgebaut werden.
- Das Verfahren erreicht eine Verringerung der PFAS-Belastung in der Aktivkohle um mindestens 99,5 %.
Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen kurz PFAS sind Chemikalien, die aufgrund ihrer wasser-, fett- und schmutzabweisenden Eigenschaften in vielen Produkten wie Kochgeschirr, Textilien, Verpackungen und Feuerlösch-Schäumen verwendet werden. Aufgrund ihrer extremen Langlebigkeit werden PFAS oft als „ewige Chemikalien“ bezeichnet und sind in der Umwelt und im menschlichen Körper weit verbreitet. Sie stehen im Verdacht, Gesundheitsprobleme wie Krebs, Leber- und Nierenerkrankungen zu verursachen. Daher wird die Verwendung von PFAS zunehmend eingeschränkt, während gleichzeitig umweltfreundlichere Alternativen entwickelt werden.
Die EU-POP-Verordnung, die auf dem internationalen Stockholmer Übereinkommen basiert, zielt darauf ab, die Herstellung, Verwendung und Freisetzung von persistenten organischen Schadstoffen (POP) zu minimieren und letztendlich zu unterbinden. Perfluoroctansulfonat (PFOS) war die erste PFAS, die reguliert wurde (2009), gefolgt von Perfluoroctansäure (PFOA) und Perfluorohexansulfonsäure (PFHxS). Langkettige (C9-C21) perfluorierte Alkylsäuren stehen derzeit auf der Beobachtungsliste.
POP-Grenzwerte für PFAS-beladene Aktivkohle
Die POP-Verordnung legt Grenzwerte für den Gehalt an POP in festen Abfällen fest. Wenn die Konzentrationen diese Grenzwerte überschreiten, sind bestimmte Abfallbehandlungsmethoden wie „R7 – Rückgewinnung von Bestandteilen, die zur Bekämpfung der Verschmutzung verwendet werden“, nicht zulässig. Die Regeneration oder das Reaktivieren von verbrauchter Aktivkohle kann unter diese Definition fallen und ist daher nicht zulässig, wenn die Konzentrationen die folgenden Grenzwerte überschreiten:
- PFOS (höchstens 50 mg/kg)
- PFOA (höchstens 1 mg/kg)
- PFHxS (höchstens 1 mg/kg)
Wenn die Aktivkohle mit PFAS belastet ist, wird sie zu Abfall und Anwender sind verpflichtet, sie gemäß den nationalen oder europäischen Vorschriften (Abfallrahmenrichtlinie) zu klassifizieren. Liegt die PFAS-Konzentration unter den oben genannten Grenzwerten und gilt keine andere Einstufung, beispielsweise in Bezug auf die Gefährlichkeit, handelt es sich um einen normalen Abfallstrom.
In Deutschland wurden in der Neufassung der Bundes-Bodenschutzverordnung (BBodSchV) im Anhang 2, Wirkungspfad Boden-Grundwasser, Prüfwerte für sieben PFAS-Moleküle festgelegt:
- Perfluorbutansäure (PFBA) 10 µg/L,
- Perfluorhexansäure (PFHxA) 6 µg/L,
- Perfluoroctansäure (PFOA) 0,1 µg/L,
- Perfluorononansäure (PFNA) 0,06 µg/L,
- Perfluorbutansulfonsäure (PFBS) 6 µg/L,
- Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS) 0,1 µg/L,
- Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) 0,1 µg/L.
Wenn diese Werte an einem bestimmten Standort überschritten werden, betrachtet die zuständige Behörde diesen als kontaminiert und kann Schutzmaßnahmen oder eine Sanierung anordnen.
Umgang mit PFAS-belasteter Aktivkohle
Die Aktivkohlefiltration ist eine der besten verfügbaren Technologien, PFAS aus kontaminierten Abwässern zu entfernen. Allerdings wird die verbrauchte Aktivkohle, sobald sie mit diesen Verbindungen beladen ist, zu festem Abfall und ihre Entsorgung unterliegt der POP-Verordnung. Wenn ein oder mehrere Schwellenwerte überschritten werden, würde das Reaktivieren der Aktivkohle nicht der POP-Verordnung entsprechen. In diesem Fall müssen Anwender die Aktivkohle gemäß den örtlichen Vorschriften anderweitig entsorgen, beispielsweise durch Hochtemperatur-Verbrennung.
Liegt der gemessene PFAS-Gehalt hingegen unter dem relevanten Grenzwert, ist ein Reaktivieren möglich, sofern keine weiteren Auflagen der örtlichen Behörden vorliegen. Derzeit gibt es keinen europaweiten Referenzstandard für die Messung der PFAS-Konzentration auf Aktivkohle. Daher sollten Anwender eine Einzelfallprüfung mit der zuständigen Behörde durchführen.
Verbrauchte Aktivkohle reaktivieren
Desotec ist ein Anbieter von nachhaltigen mobilen Filtrationslösungen auf Grundlage von Aktivkohle. Der Anbieter verfolgt einen zirkulären Ansatz und hat ein sicheres und POP-konformes Verfahren entwickelt, bei dem die verbrauchte Aktivkohle reaktiviert wird, während PFAS vollständig und sicher abgebaut werden, um deren Freisetzen in die Umwelt zu vermeiden. Um die Rechtsvorschriften einzuhalten, hat der Anbieter ein dreistufiges Projekt durchgeführt:
- Der Anbieter entwickelte eine eigene Methode (DSTM37), um die Aktivkohlebelastung für 24 PFAS-Vertreter zu quantifizieren. Diese entwickelte er auf der Grundlage des vom flämischen Institut für technologische Forschung (VITO) festgelegten Standards CMA/3/D1 weiter. Diese weiterentwickelte Methode, die einen verbesserten Extraktionsschritt beinhaltet, wurde von der zuständigen Behörde akzeptiert.
- Investition in Laborinfrastruktur, um umfangreiche Messungen durchführen zu können.
- Der Verbleib von 24 PFAS-Vertretern während des Entfernungsprozesses (Reaktivierung + Rauchgas-Reinigung) wurde unter Standard-Betriebsbedingungen untersucht. Dabei ist zu beachten, dass die Rauchgasreinigung eine Nachverbrennung und eine Wäsche beinhaltet. Zu diesem Zweck hat der Anbieter die Zerstörungs- und Entfernungseffizienz
(Destruction and Removal Efficiency, DRE) gemessen. Dies ist der Prozentsatz, mit dem das Entfernungssystem die aus der Aktivkohle freigesetzten PFAS beseitigt.
Die PFAS-Zerstörungseffizienz messen
Drei verschiedene PFAS-beladene Aktivkohlen hat der Anbieter unter Standard-Betriebsbedingungen behandelt. Die Gesamtkonzentration an PFAS stieg mit zunehmender Versuchsdauer. Während des Prozesses schwankte die Temperatur in der Nachverbrennungskammer zwischen 900 und 1.100 °C.
Die PFAS-Konzentration von beladener und reaktivierter Aktivkohle hat der Anbieter mit der oben genannten Methode gemessen. Die PFAS-Emissionen im Reingas hat er mit der Methode LUC/VI/0032² bestimmt, die auf der Methode OTM-45³ der Environmental Protection Agency (EPA) basiert. Zusätzlich hat der Anbieter die Emission von Tetrafluormethan (CF4), einem Produkt der unvollständigen Verbrennung von PFAS, mit einer Methode gemäß ISO 202644 ermittelt. Beide Gasanalysen hat Eurofins durchgeführt – weder auf der reaktivierten Aktivkohle noch im Reingas wurden PFAS nachgewiesen.
Da der Anbieter in den Wäscherproben der Rauchgas-Nachbehandlung in allen fünf Messperioden nur Fluor nachgewiesen hat, kann der Schluss gezogen werden, dass die PFAS-Verbindungen effektiv eliminiert wurden. Dies gilt unabhängig von der Art der Aktivkohle, der auf der beladenen Aktivkohle vorhandenen PFAS-Konzentration oder dem Temperaturbereich nach der Verbrennung.
Aufgrund der analytischen Nachweisgrenze lässt sich der DRE nicht auf vier Dezimalstellen genau bestimmen. Es kann jedoch festgestellt werden, dass unter den Standardbetriebsbedingungen des Anbieters unabhängig von der PFAS-Belastung ein PFAS-DRE von mindestens 99,5 % erreicht wurde. CF4 hat der Anbieter als Indikatormolekül für unvollständige Verbrennungsprodukte betrachtet, da es die am schwierigsten zu zerstörende C-F-Verbindung ist. Darüber hinaus hat er im Wäscher und in den Abgassalzen erhöhte Fluorkonzentrationen festgestellt, was darauf hinweist, dass der Fluoranteil der PFAS-Moleküle sich mineralisiert hat.
PFAS-Adsorption in der Praxis verbessern
Um einen Aktivkohlefilter für die Adsorption von PFAS auszulegen, müssen Anwender zunächst den kontaminierten Massenstrom (m³/h) und idealerweise die Schadstoff-Konzentrationen bestimmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch andere organische Stoffe adsorbiert werden können, was sich auf die Standzeit und die Filtergeometrie auswirkt. Dies kann anhand der Beladungskapazität und der Massentransferzone (MTZ) abgeschätzt werden.
Der Anbieter hat umfangreiche Erfahrungen mit verschiedenen Anwendungen von PFAS-beladener Aktivkohle. In einigen Fällen übersteigt jedoch die mögliche PFAS-Belastung der Aktivkohle, die sogenannte Sättigungsbelastung, die von der POP-Verordnung erlaubten Grenzwerte. In diesem Zusammenhang sind zwei Betriebsarten denkbar: a) Adsorption bis zur Sättigungsgrenze und kostenintensive Entsorgung oder b) Adsorption bis zur POP-Grenze und Reaktivieren, also Rückgewinnen, des Adsorptionsmittels sowie vollständige Zerstörung der PFAS.
Da es sich bei der PFAS-beladenen Aktivkohle um Abfall handelt, muss sie korrekt kategorisiert werden. Idealerweise geschieht dies durch eine Analyse der beladenen Aktivkohle. Ist es dem Anwender nicht möglich, die Adsorption von PFAS-Vertretern an der Aktivkohle zu quantifizieren, muss er in Zusammenarbeit mit den Behörden andere geeignete Maßnahmen zum Bewerten und Einstufen treffen.