Reinigungsoperationen

Den angewandten Reinigungsoperationen liegen unterschiedliche physikalisch-chemische Verfahren zu Grunde. Die wichtigsten sind chemische und biochemische Reaktionen, Adsorptionsverfahren, sowie mechanische und thermische Grundoperationen.

Fällung

Aufgabe der Fällung ist es, durch Überschreitung der Löslichkeit, gelöste Wasserinhaltsstoffe in schwerlösliche Verbindung zu überführen, um anschließend eine mechanische Abtrennung durchführen zu können. Fällungsreaktionen werden vor allem zur Abtrennung von gelösten Metallionen angewandt. Die häufigste Fällungsform besteht in der Überführung in schwerlösliche Metallhydroxide. Hierzu ist die Einstellung eines optimalen pH-Wertes erforderlich.

Die durch die Fällung entstehenden festen Verbindungen können in den meisten Fällen aufgrund ihrer geringen Größe erst im Rahmen einer nachfolgenden Flockung aus dem Wasser entfernt werden. Die Flockung erfolgt im Allgemeinen parallel zur Fällung und wird in der Praxis in Kombination durchgeführt.

Neben dem Löslichkeitsprodukt der jeweiligen Metallverbindung sind auch deren Absetzbarkeit und Volumen (Wassergehalt) zu berücksichtigen. In einigen Fällen werden bessere Ergebnisse durch die Ausfällung als Karbonate erzielt. In manchen schwierigen Fällen, insbesondere in Gegenwart von Komplexbildnern, kann eine Fällung in Form von Sulfiden erforderlich sein.

Störende Anionen können oftmals in Form ihrer Calcium-, Eisen- oder Aluminiumsalze gefällt werden.

Entgiftung

Darüber hinaus spielen innere chemische Reaktionen bei der Beseitigung anorganischer Giftstoffe eine Rolle. Besonders die Behandlung cyanid- und nitrithaltigen Abwassers ist von Bedeutung. Primär werden hierbei Oxidationsverfahren in Verbindung mit einer pH-Wert-Regelung angewandt.

Übliche Oxidationsmittel sind Kaliumhydrogenmonoperoxosulfat (Caroat), Natriumhypochlorit, Natriumperoxodisulfat, Ozon, Sauerstoff und Wasserstoffperoxid.

Biologischer Abbau

Der Abbau organischer, aber auch anorganischer Stoffe durch die Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen gehört zu den wichtigsten Abwasserreinigungsmaßnahmen. Ziel ist stets die wesentliche Verringerung des CSB- und des BSB-Wertes. Erfasst werden ausschließlich biologisch abbaubare Verbindungen. Organische Abwasserinhaltsstoffe werden im aeroben Stoffwechsel bis zu Kohlendioxid und Wasser mineralisiert.

Der  Abbau erfolgt im gut belüfteten Belebungsbecken. In den vergangenen Jahren wurden hierzu Kompaktanlagen entwickelt, die auch kleineren und mittleren Betrieben eine kostengünstige Abwasserbehandlung ermöglichen.

Neben dem aeroben Abbau spielt in stark belastetem Abwasser auch der anaerobe biologische Abbau eine gewisse Rolle. Dieser wird vor allem zur Vorbehandlung organisch höher belasteten Abwassers eingesetzt. Die gasförmigen Endprodukte NH₄ und CO₂ können als Biogas energetisch verwertet werden.

Flockung, Sedimentation, Flotation

Zur Entfernung vorhandener oder nach einer Fällungsreaktion gebildeter Fest- und Trübstoffe ist eine Phasentrennung fest/flüssig erforderlich. Hierzu bedarf es einer genügend guten Absetzbarkeit oder Filtrierbarkeit. Feine Feststoffteilchen werden oftmals durch gleichsinnige elektrische Oberflächenladung an ihrer Agglomeration gehindert. In diesem Fall ist eine Flockung erforderlich.

Der erste Schritt der Flockung besteht darin, die Oberflächenladung durch Dosierung und Adsorption entgegengesetzt geladener Teilchen zu neutralisieren und so eine Koagulation zu ermöglichen. Hierzu werden meist Eisen- oder Aluminiumsalze (primäre Flockungsmittel) verwendet.

Die Agglomeration zu größeren Teilchen mit höherer Absetzgeschwindigkeit kann durch Dosierung hochmolekularer Polymere erreicht werden, die eine Brückenbindung zwischen kleinen Partikeln bewirken. Dieser Vorgang wird als Flockung bezeichnet. Primäre Flockungsmittel und die so genannten Polyelektrolyte werden häufig gemeinsam eingesetzt. Zur Erzielung einer optimalen Trennleistung bei einer speziellen Problemstellung sind stets Reinversuche im Labormaßstab erforderlich.

Im Allgemeinen haben die entstandenen Feststoffe eine höhere Dichte als Wasser und setzen sich am Boden des Sedimentationsbehälters ab, während klares Wasser oben abläuft. Bei Stoffen ähnlicher oder geringerer Dichte als Wasser ist nur ein Absetzen an der Wasseroberfläche möglich.

Um den Trennvorgang zu beschleunigen, werden die Agglomerate mit Gasbläschen beladen, während klares Wasser im unteren Behälterteil abläuft. Diesen Vorgang bezeichnet man als Flotation.

Aufgrund der Entwicklung von preisgünstigen Kompaktanlagen zur Flockung haben diese Reinigungsverfahren auch für kleinere und mittlere Betriebe zunehmend an Bedeutung gewonnen.

Ultrafiltration

Auch in der Prozess- und Abwasseraufbereitung findet die Ultrafiltration ihren Einsatz.

Das aufzubereitende Prozesswasser kann z.B. Öle, Feststoffe und/oder Korrosionsprodukte enthalten, die mittels Ultrafiltration entfernt werden. Prozesswasserstandzeiten können so verlängert, chemische Produkte auf diese Weise eingespart und das Prozesswasser soweit aufbereitet werden, dass es den Abwassereinleitbedingungen entspricht.

Das zugrunde liegende Prinzip bei der Phasentrennung von Emulsionen oder Dispersionen ist die Aufwendung von Arbeit. Der Trennvorgang findet im Allgemeinen im so genannten Cross-Flow-Verfahren an der Membranoberfläche statt. Cross-Flow bedeutet, dass die zu spaltende Emulsion quer zur Membranoberfläche mit hoher Strömungsgeschwindigkeit fließt, wodurch der Aufbau eines Filterkuchens durch die auftretenden Scherkräfte minimiert wird.

Die Arbeit für den Trennvorgang im Ultrafiltrationsmodul wird von einer Pumpe verrichtet. Durch die Porengröße der Membran werden die Bestandteile des zu reinigenden Rohwassers (Feed) nach ihrer Molekülgröße getrennt. Die gelösten Teilchen passieren die Poren der Membran und bilden das Permat. Die ungelösten Teilchen fließen an der Oberfläche der Membran weiter und werden als Retentat bezeichnet.

Um dem Pumpendruck standzuhalten, befindet sich die Membran auf einem druckfesten Trägermaterial. Membranen sind meistens in einem röhrenförmig gestalteten Permeatsammelkörper eingepasst. Je nach Anforderung an den Durchsatz können mehrere Membranen in einem Sammelkörper integriert sein. Eine Einheit mit der Anordnung von Membranen heißt Ultrafiltrationsmoduleinheit.

Die Auswahl der Membranen und deren Anordnung erfolgt unter Berück­sichti­gung der erforderlichen Leistung, der Feed-Qualität und der Reinheitsanforderungen.

Die Permeatausbeute wird primär durch die Tendenz des Retentats zur Bildung von Ablagerungen begrenzt, was zur Verblockung der Membranen führen kann. Die Verhinderung der Membranverblockung ist eines der Hauptprobleme bei der Auslegung einer Anlage.

Wird der stabilen Dispersion oder Emulsion (Feed) durch die Ultrafiltrationsanlage Permeat entzogen, ent­steht eine höhere Konzentration an Trübstoffen im Retentat. Der Wasserentzug kann soweit fortgeführt werden, dass die feinen abzutrennenden Teilchen so weit aufkonzentriert werden, dass sie agglomerieren. Aus einer vorher stabilen Emulsion kann beispielsweise anschließend ein Öl durch Schwerkraftabtrennung abgeschieden werden  oder die Feststoffe einer Dispersion können durch Sedimentation entfernt werden.

Adsorption und Ionenaustausch

In der Abwasserbehandlung werden Adsorptions- und Ionenaustauschverfahren zur Entfernung geringer Konzentrationen an Inhaltsstoffen aus relativ reinem Wasser eingesetzt. Auch die Rückgewinnung von Werkstoffen spielt hierbei eine Rolle.

Die verfahrenstechnischen Abläufe sind dabei die gleichen, wie bei Reinigungsoperationen zur Trink- und Betriebswassererzeugung. Kationen- oder Mischbettionenaustauscher werden z.B. zur Entfernung oder Rückgewinnung von Schwermetallspuren eingesetzt.

Adsorberharze finden bei der Entfernung von organischen Verbindungen, wie Farbstoffen, Tensiden, Ölen und Fettsäuren Verwendung. Aktivierte Tonerde (Aluminiumoxid) als Sorbens wird zur Entfernung von polaren, hydrophilen organischen Stoffen eingesetzt. Aktivkohle ist ein bevorzugtes Filtermaterial zur Abtrennung von nicht polaren, hydrophoben, organischen Verbindungen, insbesondere von Chlorkohlenwasserstoffen.

Thermische Trennverfahren

Zur Abtrennung und Rückgewinnung flüchtiger organischer Bestandteile, insbesondere Lösungsmitteln, werden Destillations- und Strippverfahren in der Abwassertechnik verwendet. Als Strippen bezeichnet wird das Austreiben von flüchtigen Bestandteilen aus Flüssigkeiten mit Wasserdampf oder anderen inerten Gasen. Je nach Art und Menge der flüchtigen Bestandteile im Strippgas werden diese in die Umgebung abgegeben, verbrannt oder durch anschließende Kondensation oder Adsorption aufgefangen und weiterverarbeitet bzw. entsorgt.

In der Abwasserbehandlung wird das Strippen zur Entfernung von Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und insbesondere von Chlorkohlenwasserstoffen eingesetzt. Die Wirtschaftlichkeit ist in diesem Fall jedoch auf Abwasser mit wenigstens rund 50 bis 100 mg/l CKW bei einer Mindestabwassermenge von einigen m³/h beschränkt. Ansonsten sind Adsorptionsverfahren vorzuziehen.

Neben den thermischen Trennverfahren spielen Extraktionsverfahren in der Abwassertechnik eine begrenzte Rolle.

Weiterverarbeitung und Entsorgung

Die meisten der beschriebenen Verfahren führen zu einem gereinigten Abwasser und einem Konzentrat mit den entfernten Stoffen. Das Konzentrat erfordert eine Weiterverarbeitung. Bei anfallendem Schlamm wird im Allgemeinen zunächst durch Filtrationsverfahren der Wassergehalt und somit auch das Volumen reduziert

Die weitere Behandlung wird - mit Ausnahme einiger Großbetriebe - nicht vom Betreiber, sondern von entsprechend spezialisierten Unternehmen durchgeführt. In günstigen Fällen kann eine direkte Verwertung oder die Rückgewinnung von Wertstoffen erfolgen. In anderen Fällen ist das Abfallprodukt problemlos deponierbar (Deponieverordnung - DepV).

Oftmals müssen jedoch weitere Verfahrensstufen zur Beseitigung der Abfallstoffe erfolgen, die mit beträchtlichen Kosten verbunden sein können. Hierzu zählen: Eindampfung, Verbrennung, Nassoxidation und Vorkehrungen zur Einlagerung in speziellen Deponien.