Untersuchung einer Verfahrenskombination aus Aktivkohlefiltration und Anionenaustausch zur Entfernung von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen in der Trinkwasseraufbereitung

Die vorliegende Arbeit untersuchte ein innovatives Hybridverfahren zur Entfernung von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) bzw. Perfluoralkylsäuren (PFAA) in der Trinkwasseraufbereitung. Das Verfahren kombiniert granulierte Aktivkohle (GAC) mit einem regenerierbaren Anionenaustauscherharz (AER), um die Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Aufbereitung zu verbessern. Ziel war die Entwicklung einer praxistauglichen Alternative zur alleinstehenden GAC-Filtration, deren Einsatz zunehmend durch strengere Grenzwerte (∑PFAS-20 und ∑PFAS-4) limitiert ist.
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Zur Auswahl geeigneter AER wurden zunächst Schüttel- und Säulenversuche im Labor durchgeführt. Anschließend erfolgten weiterführende Untersuchungen zur Prozesscharakterisierung und Anwendungslimitierung. Schließlich wurde das Hybridverfahren im Pilotmaßstab in einem Wasserwerk getestet und weiterentwickelt.
Polystyrol-basierte AER zeigten die höchste PFAA-Adsorptionskapazität, die sich mit Länge und Anzahl der Alkylreste in funktionellen AER-Gruppen verstärkte: PFAS-spezifische AER > stark basische Typ I & II AER > schwach basische AER. Gleichzeitig stieg die Regenerierbarkeit in umgekehrter Reihenfolge, was auf einen entscheidenden Einfluss hydro¬phober Wechselwirkungen hindeutete. PFAS-spezifische AER konnten ohne organisches Lösungsmittel nicht erfolgreich regeneriert werden und eigneten sich deshalb nicht als nachgeschaltetes AER für die in-situ-Anwendung im Wasserwerk. Rein schwach basische AER mit tertiären Amingruppen erreichten hingegen beispielsweise für Perfluorpentansäure Regenerationsausbeuten von ≥ 95 % bei Einsatz von Natronlauge (NaOH) und stellten den vielversprechendsten Kompromiss dar. Dieser Kompromiss zwischen Adsorptions- und Desorptionsperformance beschränkte allerdings die Auswahl geeigneter AER für die Verfahrenskombination.
Die Adsorptionskapazität schwach basischer AER wurde durch anorganische Anionen (v. a. Sulfat) und organischen Kohlenstoff stärker verringert als bei anderen AER, wodurch die Anwendbarkeit des Verfahrens in salz- oder organikhaltigem Wasser (z. B. Membrankonzentrat, Abwasser) eingeschränkt ist. Für die Prozesssteuerung erwies sich die Einstellung der Leerbettkontaktzeit (EBCT) – z. B. Verbreiterung der Durchbruchskurve bei geringerer EBCT – als nützliches Werkzeug, um das aufbereitete Volumen bis zur Grenzwertüberschreitung zu kontrollieren. Für die Pilotanlage ergab eine Simulation, dass dieses durch EBCT-Verringerung von 6 auf 1,5 Minuten um 22–26 % erhöht werden kann, mit Verbesserung der Effizienz bzw. des Flüssig-Flüssig-Trennfaktors (≥ 99,5 %) und potenzieller Senkung von Investitionskosten.
Im Pilotversuch konnte ein Langzeitbetrieb (≥ 63 000 Bettvolumen, BV) ohne Grenzwertüberschreitung (PFAS-20) nur mit einem rein schwach basischen AER und NaOH-basierter Regeneration realisiert werden. Der Betrieb mit einem Typ-II-AER und salzbasierter Regeneration wurde nach 37 670 BV aufgrund unzureichender Performance abgebrochen. Die besten Regenerationsausbeuten, P_Des, (Wiederfindung der adsorbierten PFAA-Masse im Regenerat) wurden mit einer linearen NaOH-Regeneration (≥ 20 BV 0,1 M NaOH bei 5 BV/h) erzielt, wobei nahezu 100 % für Perfluorbutansäure und -pentansäure erreicht wurden. Längerkettige PFAA zeigten hingegen eine niedrigere Desorption (z. B. P_Des ≤ 38 % für Perfluoroctansäure). Organisches Fouling konnte durch regelmäßige Regeneration verzögert (P_Des > 50 % für organisches Material), aber nicht vollständig verhindert werden. Kombiniert mit der unvollständigen Desorption längerkettiger PFAA kann dies langfristig zu Kapazitätsverlust führen (in der bisherigen Betriebszeit nicht festgestellt). Der Anlagenbetrieb sollte deshalb fortgesetzt werden, vorzugsweise mit höherem spezifischem Durchsatz, um schneller aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.
Die Simulation spezifischer Aufbereitungskosten ergab, dass das Hybridverfahren wirtschaftlicher als eine alleinige GAC-Filtration (≤ 0,053 €/m3) sein kann, sofern das AER mindestens 520 000 BV behandelt, bevor es ausgetauscht werden muss. Die GAC-Filterstandzeit würde sich dabei um den Faktor 3–4 verlängern. Ein PFAS-spezifisches AER ist als alleinstehender Filter nicht praktikabel, könnte aber als vorgeschaltete Stufe die spezifischen Kosten senken und die Langlebigkeit des nachgeschalteten AER erhöhen. Weitere Optimierungen, wie eine effizientere Regeneration, alternative Adsorbenzien und die Anpassung an verschiedene Standortbedingungen, könnten die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit des Verfahrens weiter steigern.
Somit zeigt die Arbeit, welche AER für die untersuchte Prozesskombination infrage kommen und dass das Hybridverfahren aus GAC und schwach basischem AER durch weitere Optimierung eine vielversprechende, nachhaltige und kosteneffiziente Alternative zur alleinigen GAC-Filtration darstellen könnte. Des Weiteren werden prozesslimitierende Faktoren aufgezeigt. Die gewonnenen Erkenntnisse können eine Grundlage für zukünftige Versuche und großtechnische Anwendungen liefern.

The present thesis investigated an innovative hybrid process for the removal of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), specifically perfluoroalkyl acids (PFAA), in drinking water treatment. The process combines an upstream granular activated carbon (GAC) filtration with a downstream treatment by a regenerable anion exchange resin (AER) to enhance treatment efficiency, cost-effectiveness, and sustainability. The goal was to develop a practical alternative to standalone GAC filtration, which is increasingly constrained by stricter regulatory limits (∑PFAS-20 and ∑PFAS-4).
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Initially, batch and column tests were conducted in the laboratory to select suitable AER. This was followed by detailed investigations into process characterization and application limitations. Finally, the hybrid process was tested and improved at pilot scale in a waterworks.
Polystyrene-based AER exhibited the highest PFAA adsorption, which increased with the length and number of alkyl moieties in functional AER groups: PFAS-specific AER > strongly basic Type I & II AER > weakly basic AER. However, regenerability of the resins followed the opposite trend, indicating a critical influence of hydrophobic interactions. PFAS-specific AER could not be effectively regenerated without organic solvents and were therefore unsuitable as downstream AER for an in-situ application in waterworks. In contrast, purely weakly basic AER with tertiary amine groups achieved regeneration yields of, e.g., ≥ 95 % for perfluoropentanoic acid when using sodium hydroxide (NaOH) and represented the most promising compromise. However, this compromise between adsorption and desorption performance limited the selection of suitable AER for the process combination.
The adsorption capacity of weakly basic AER decreased more strongly in the presence of inorganic anions (especially sulphate) and organic carbon than that of other AER types, restricting the applicability of the process in saline and organic-rich water (e. g., membrane concentrate, wastewater). For process control, adjusting the empty bed contact time (EBCT) – e.g., widening of the breakthrough curve at lower EBCT – proved to be a useful tool to control the treated volume before regulatory limits are exceeded. A simulation for the pilot plant suggested that reducing the EBCT from 6 to 1.5 minutes could increase the treated volume by 22–26 %, improving efficiency or the liquid-liquid separation factor (≥ 99.5%), and lowering investment costs.
In pilot-scale testing, long-term operation (≥ 63,000 bed volumes, BV) without exceeding the PFAS-20 limit was only achieved with a purely weakly basic AER and NaOH-based regeneration. Operation with a type II AER and salt-based regeneration was terminated after 37,670 BV due to insufficient performance. The best regeneration yields, P_Des, (recovery of the adsorbed PFAA mass in the regenerate) were obtained with a linear NaOH-based regeneration process (≥ 20 BV of 0.1 M NaOH at 5 BV/h), reaching nearly 100 % for perfluorobutanoic and perfluoropentanoic acid. However, for longer-chain PFAA, desorption was lower (e.g., ≤ 38 % for perfluoro¬octanoic acid). Organic fouling could be delayed by regular regeneration (P_Des > 50 % of organic compounds) but was not completely prevented. Combined with the incomplete desorp¬tion of longer-chain PFAA, this could lead to long-term capacity loss, although no such decline was observed during the study period. Therefore, continuing operation of the plant is recommended, preferably with a higher specific throughput, to obtain conclusive results more quickly.
Cost simulations indicated that the hybrid process could be more cost-effective than standalone GAC filtration (≤ 0.053 €/m3) if the AER treats at least 520,000 BV before replacement. These conditions can extend the GAC operating time by a factor of 3–4. PFAS-specific AER are not a viable option for standalone filters but could be used as a pre-treatment stage to reduce specific costs and extend the lifespan of the downstream AER. Further optimizations, such as more efficient regeneration, alternative adsorbents, and adaptation to various site-specific conditions, could further improve the economic and environmental sustainability of the process.
The present thesis thus demonstrates which AERs are suitable for the investigated process combination, and that the hybrid process of GAC and weakly basic AER could represent a promising, sustainable and cost-efficient alternative to GAC filtration alone through further optimization. Furthermore, the identification of process-limiting factors is a key finding. The knowledge gained can provide a foundation for future studies and technical-scale applications.