Nachhaltige Prozesswasseraufbereitung durch neue technologische Ansätze

Kontrolliert reinigen

von Christiane Chaumette, Alexander Karos

Wasser wird in zahlreichen industriellen Produk­tionsprozessen als Lösungs- oder Transportmittel, ­als Kühlwasser oder Waschwasser verwendet. Steigende Kosten bei der Abwasserentsorgung, aber auch regionaler oder saisonaler Wassermangel zwingen dazu, diese Prozesswässer möglichst gezielt auf­zu­bereiten, um sie mehrfach zu verwenden. Verunreinigungen müssen dabei im Sinne einer Wertstoffrückführung selektiv entfernt werden. Für eine wirtschaftliche Kreislaufführung sind nachhaltige Prozesse notwendig, die keine toxischen Nebenprodukte bilden, Schadstoffe vollständig abbauen und eine Aufsalzung vermeiden.

Herausforderung

Mit der Weiterentwicklung von Produkten und Materialien sowie der Einführung neuer Produktionsmethoden und Fertigungstechniken entstehen immer wieder neue Aufgabenstellungen für die Aufbereitung der Prozesswässer wie beispielsweise

// neue komplexe Farbstoffe, Pflanzenschutzmittel, Tenside und Pharmazeutika,

// Einsatz von Nanopartikeln in Beschichtungstechno­logien,

// schwankende Abwasserbelastung durch schnelle Produktwechsel.

Das Fraunhofer-Institut für Grenz­flächen- und Bioverfahrenstechnik IGB arbeitet an der Optimierung bestehender Prozesse wie Adsorption, Filtration, Flockung/Fällung, Oxidation und Desinfektion sowie an neuen Prozessansätzen und Komponenten. Neben Prozessen zur biologischen Reinigung bildet der Einsatz oxidativer und elektrolytischer Verfahren zur Wasseraufbereitung ein aktuelles Arbeitsfeld. Hierzu werden am Fraunhofer IGB neue Konzepte und Technologien zusammen mit Industriepartnern bis zum industriellen Maßstab entwickelt. Wasseraufbereitung und Kreislaufführung von Prozesswasser können so kundenspezifisch ausgelegt werden, um eine bestmögliche Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit zu erreichen.

AOP – advanced oxidation processes

Unter oxidativer Wasseraufbereitung (AOP, advanced oxidation processes) werden Verfahren zur chemischen Aufbereitung verstanden, bei denen Hydroxyl-Radikale und freier Sauerstoff gebildet werden. Diese hochreaktiven Spezies stehen für die Mineralisierung von Schadstoffen zur Verfügung und reagieren auch mit biologisch schwer abbaubaren organischen oder anorganischen Substanzen. Ihre Bildung kann durch Dosierung von Oxidationsmitteln wie beispielsweise Ozon und Wasserstoffperoxid und durch Energieeintrag mittels UV-Strahlung, Ultraschall oder elektrischem Strom über inerte Elektroden sowie durch Kombination solcher Verfahren erreicht werden.

Derzeit werden am Fraunhofer IGB vorrangig fotochemische und elektrochemische Prozesse sowie Plasmaprozesse für die oxidative Wasseraufbereitung erforscht. Hierfür stehen unterschiedliche Versuchsaufbauten für kontinuierliche und dis­kon­tinuierliche Versuche zur Verfügung. Unter anderem verfügt das Fraunhofer IGB über eine Nassoxidationsanlage, mit der verschiedene Verfahren einzeln oder in Kombination erprobt werden können. Dank einer umfangreichen Sensorik und Datenerfassung können die Versuchsparameter flexibel variiert werden.

Elektro-physikalische Fällung

Ein am Fraunhofer IGB etabliertes Verfahren ist die elektro-physikalische Fällung (EpF). Hier wird das zu behandelnde Wasser durch einen Reaktor geleitet, in dem Opferelektroden von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Dies führt dazu, dass zwischen ihnen elektrochemische Reaktionen ablaufen und sich die Opferelektroden unter Freisetzung ihrer Metallionen auflösen. Dabei entstehen in einem elektrischen Feld neben reaktiven Radikalen (AOP-Prozess) auch Metall-Hydroxidflocken. Diese elektrolytisch gebildeten Metall-Hydroxidflocken haben ein hohes Adsorptionsvermögen und können so fein verteilte Partikel an sich binden. Außerdem kommt es zu Mitfällungs- und Ein­schlussfällungsreak­tionen, bei denen gelöste organische und anorganische Stoffe gefällt werden. Die ausgefällten Stoffe lassen sich dann mechanisch abscheiden.

Die elektro-physikalische Fällung ersetzt herkömmliche chemische Fällungs-Flockungstechniken mit dem Vorteil, dass die Flockungsmittel elektrolytisch aus Feststoffelektroden bereitgestellt werden. Als Elektrodenmaterial können Eisen oder Aluminium, aber auch andere Metalle eingesetzt werden, die kostengünstig und einfach zu handhaben sind. Es wird gezielt nur das Metallion dem zu behandelnden Wasser beigefügt, eine Aufsalzung findet nicht statt. Der Aufwand für Handhabung und Dispergierung von flüssigen Flockungschemikalien entfällt.

Aktuelle Entwicklungen in Zusammenarbeit mit Kunden

// VUV-Reaktor zum Abbau refraktärer Schadstoffe in Prozesswässern

// AOX-Abbau durch kathodische Reduktion in einer Elektrolysezelle in Kombination mit anodischer Oxidation

// Automatisierung der Abwasserbe­handlung durch TOC-Überwachung

// Oxidation mit Diamantelektroden und Mischoxidelektroden

// Verfahrenskombinationen

Erfolgreiche Anwendungen

// Reduzierung der Aufbereitungskosten für Papierabwasser durch elektro-physikalische Fällung

// Entfernung fein suspendierter Stoffe aus Farbabwässern mittels elektro-­physikalischer Fällung

// Abbau von organischen Farbstoffen über UV/H₂O₂

// Reduktion der biologischen Kontamination von Kühlschmierstoffen mit Ultraschall/Ozon

// Elektrolytische Ozonerzeugung im Labor- und Technikumsmaßstab

// CSB-Abbau in Lebensmittelabwasser mit O₃/H₂O₂

// CSB-Abbau in Galvanikabwasser mit VUV-Technologie

Elektrolytische und oxidative Verfahren können mit anderen Prozessen wie biologischen Verfahren in der Aufbereitungskette kombiniert werden. Sie eignen sich beispielsweise, um biologisch nicht abbaubare Stoffe in einer einem Bioreaktor nachgeschalteten Stufe zu entfernen. In einer solchen Stufe ist es möglich, toxische, kanzerogene oder mutagene (TCM-) Substanzen, Pharmaka oder auch hormonell wirksame Stoffe bis in den Nanogramm-pro-Liter-Bereich (Micropollutants) zu behandeln.

Zusammenfassung

Elektrolytische und oxidative Verfahren bieten wirtschaftlich attraktive und nachhaltige Lösungen für die Reinigung von Betriebs-, Prozess- und Abwasser mit Substanzen, die herkömmlich nicht oder nur sehr aufwändig abgebaut werden können. Die Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie ausschließlich auf elektrischem Energieeintrag beruhen.

Foto: panthermedia.net/nejron