Schädliche Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme durch in geringen Konzentrationen in die Umwelt freigesetzte Arzneimittel und Chemikalien (Spurenstoffe) sind in den letzten Jahren gezielt untersucht worden. Aufgrund ihrer Relevanz für den Natur- und Artenschutz und des gestiegenen Bewusstseins von Politik und Gesellschaft zum unerwünschten Vorkommen von anthropogenen Spurenstoffen im Wasserkreislauf, sind aufgrund der unzureichenden Reinigungsleistung für Spurenstoffe kommunale Kläranlagen in den Fokus der Diskussion gelangt. Auch ohne gesetzliche Grundlage werden aus Vorsorgegründen und zur Verbesserung der Gewässerqualität immer mehr Kläranlagen mit einer erweiterten Abwasserreinigung zur Spurenstoffentfernung (sog. 4. Reinigungsstufe) ausgestattet.
Die Ozonung ist eine effiziente und wirtschaftliche Verfahrensvariante, die aufgrund ihres geringen Platzbedarfs gut in bestehende Abwasserbehandlungsanlagen integriert werden kann. Obwohl diese in der Trinkwasseraufbereitung seit Jahrzehnten eingesetzt wird, gibt es offene Fragen zu ihrer Anwendbarkeit in der Abwasserreinigung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass bei der Trinkwasseraufbereitung die direkte Reaktion mit Ozon überwiegt, während bei der Abwasserozonung die Sekundärreaktion über Hydroxylradikale vorherrscht. Durch die oxidative Behandlung werden Transformationsprodukte gebildet. Diese können wie im Falle von Bromat oder N-Nitrosodimethylamin (NDMA) toxischer als ihre Ausgangsverbindungen sein. Trotz der bekannten Problematik ist die Bromatbildung im Gegensatz zur Trinkwasseraufbereitung bei der oxidativen Abwasserreinigung nicht ausreichend beschrieben.
Im Mittelpunkt dieses Vorhabens stehen daher mechanistische Untersuchungen der Bromatbildung, um Erkenntnisse über die Bildungsmechanismen und die Anwendbarkeit der Ozonung bei der erweiterten Abwasserreinigung zu gewinnen. Hierfür sollen verschiedene Kläranlagen mit und ohne 4. Reinigungsstufe in Deutschland untersucht werden. Alternative Ozoneintragssysteme und Verfahrensvarianten wie Ozonstarkwasser, Peroxon oder die Kombination mit Kavitationsprozessen können bei ungünstigen Grundvoraussetzungen, wie beispielsweise einer hohen Bromidbelastung der Abwässer, eine Lösung für eine sichere Anwendung oxidativer Verfahren in der Abwasserbehandlung sein. Der Einfluss solcher Systeme auf die Vermeidung der Bildung toxikologisch relevanter Transformationsprodukte ist ein wichtiger Punkt des hier beantragten Forschungsvorhabens.
Experimente im Labormaßstab zur Evaluierung der Schlüsselparameter (Bromid, TOC/DOC, SAK, pH-Wert sowie die Zugabe weiterer Reagenzien) werden um Untersuchungen im Pilot- und großtechnischen Maßstab ergänzt und im Hinblick auf ihren Einfluss auf die Bromatbildung und Aufklärung der Bildungsmechanismen mittels statistischer Korrelationsanalyse ausgewertet. Prozesscharakterisierung und Bewertung der Reinigungseffizienz erfolgen mittels Target- und Non-Target-Analytik. Ausgewählte Proben werden auf genotoxische und mutagene Eigenschaften analysiert. Die Ergebnisse zum Spurenstoffabbau, der Reaktionskinetik und den postulierten Reaktionsmechanismen werden als Grundlage für die Entwicklung eines eigenen Modells zur Simulation der Bromatbildung herangezogen. Das Modell wird mit experimentellen Daten validiert und für die Bewertung von Maßnahmen zur Verhinderung und Kontrolle der Bromatbildung bei der großtechnischen Anwendung eingesetzt. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse und einer abschließenden Nachhaltigkeitsanalyse sollen die wissenschaftlichen Grundlagen für eine sichere großtechnische Anwendung oxidativer Verfahren für die Abwasserbehandlung ermöglicht werden. Durch den Transfer der Ergebnisse in die Praxis wird ein vermehrter Einsatz oxidativer Abwasserbehandlungsverfahren als 4. Reinigungsstufe erwartet und somit die Gewässerqualität signifikant verbessert.