Modellierung des Verbleibs von organischem Kohlenstoff und Mikroverunreinigungen in biologisch-aktiven Aktivkohlefiltern
Projekttitel Modellierung des Verbleibs von organischem Kohlenstoff und Mikroverunreinigungen in biologisch-aktiven Aktivkohlefiltern
Projektbearbeitung Tobias Kaiser, M.Sc.
Laufzeit 01.08.2022 – 31.07.2025
Förderer Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektinhalt Das Vorkommen von organischen Mikroverunreinigungen (OMP) in Gewässern ist aufgrund ihrer potenziellen Bedrohung für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sehr kritisch. Kläranlagenabläufe sind eine der Hauptquellen für OMPs. Granulierte Aktivkohlefilter (GAK) haben sich als geeignete Technologie zur Entfernung von OMP aus Kläranlagenabläufen etabliert. Neben der Adsorption auf der Aktivkohle tragen in GAK-Filtern auch biologische Prozesse zur Entfernung organischer Stoffe und OMPs bei. Die Phänomene, die die adsorptive Entfernung und den biologischen Abbau steuern, sowie die Synergien zwischen diesen beiden Mechanismen sind von großer Bedeutung, jedoch sind die Prozesse sehr komplex. Zum einen handelt es sich bei Abwässern um Multikomponentengemische, die schwer zu charakterisieren sind, und zum anderen sind die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen GAK, Biofilm, OMP und organischen Stoffen nur schwer experimentell zu erfassen.
Mathematische Modelle sind ein leistungsfähiges Instrument zur Überwindung solcher experimentellen Hindernisse, zur Analyse verschiedener Szenarien und zur Unterstützung der Planung weiterer Experimente. Anhand von Versuchsdaten wurde am Fachgebiet Wasser und Umweltbiotechnologie ein erstes mathematisches Modell entwickelt, das die Entfernung von gelöstem organischem Kohlenstoff in einem biologisch aktiven GAK-Filter zufriedenstellend beschreiben kann. Dieses Projekt zielt darauf ab, das Modell zu verbessern und um neue Schlüsselmerkmale zu erweitern, die für eine weitere Anwendung erforderlich sind:
  • Aufnahme der Porengrößenverteilung in das Modell zur besseren Charakterisierung des jeweiligen GAK-Typs
  • Erweiterung der modellierten mikrobiellen Gemeinschaft um Nitrifikanten, insbesondere die Implementierung co-metabolischer Abbauprozesse von OMPs
  • Einbeziehung ausgewählter OMPs in das Modell, die stellvertretend das Verhalten weiterer OMPs beschreiben können. Da die mechanistische Beschreibung des Verhaltens von OMPs sehr komplex werden kann, wird hierzu der Ansatz des mechanistischen Modells mit Methoden des maschinellen Lernens kombiniert.