Wasser- und Abwassertechnik

Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. Für eine gesicherte Wasserversorgung und effiziente Wasserreinigung entwickeln wir innovative Lösungen zur Wassergewinnung und Wassermanagement-/Infrastrukturkonzepte für eine ökologische und ökonomische Bewirtschaftung von Wasser und Energie, die an die jeweiligen geographischen, demographischen und regionalen Rahmenbedingungen angepasst sind. Um industrielle Prozesswässer möglichst mehrfach zu verwenden, arbeiten wir an Technologien, mit denen Verunreinigungen selektiv entfernt und werthaltige Inhaltsstoffe zurückgewonnen werden können. Aerobe und anaerobe biologische Verfahren entwickeln, optimieren und kombinieren wir nach Bedarf mit Membran- und chemisch-physikalischen Verfahren: Für einen möglichst weitgehenden Abbau der Störstoffe ist häufig eine Kombination aus biologischen und oxidativen Verfahren sinnvoll. Die Rückgewinnung von Inhaltsstoffen aus Prozesswässern der Agroindustrie oder kommunalen Kläranlagen als Dünger kombiniert die Wasserreinigung mit stofflicher Wertschöpfung.

Wassermanagement – Neue Infrastrukturen für eine nachhaltige und energieeffiziente Wasserwirtschaft

Die Wasserinfrastruktursysteme der heutigen Industrieländer entstanden vor über 100 Jahren, das  heißt sie basieren auf den damaligen technologischen Ansätzen und sind nach heutigen Kriterien ineffizient und teuer. Konventionelle Wasserinfrastruktursysteme im überwiegenden Teil der Industrieländer sind für den einmaligen Gebrauch von Wasser ausgelegt. Eine Wiedernutzung ist bis auf internes Wasserrecycling in industriellen Produktionsstätten und erste Ansätze zur regenerativen Wasserversorgung nicht vorgesehen.

Die technologischen Herausforderungen rund um das Thema Wasser sind vielfältig. Sollen die vorhandenen Ressourcen besser genutzt oder neue erschlossen werden, müssen innovative Wege beschritten werden: Dezentrale und anpassbare Infrastruktursysteme, die Wasser sammeln und verteilen, spielen hierbei eine ebenso entscheidende Rolle wie Möglichkeiten der Mehrfachnutzung. Regenwasser sollte aufbereitet und als neue Wasserressource erschlossen werden. Eine bedarfsgerechte Reinigung von Abwasser kann mit moderner, kostengünstiger Filtertechnik und angepassten biologischen Prozessen erreicht werden. Im Idealfall werden die Inhaltsstoffe des Abwassers bei der Reinigung nahezu vollständig energetisch und stofflich verwertet.

Das Fraunhofer IGB hat bereits eine breite Palette technischer Neuerungen für ein nachhaltiges Wassermanagement entwickelt. Diese sind in ein ganzheitliches Infrastrukturkonzept eingebunden, das auch Energieversorgung und Abfallwirtschaft berücksichtigt. Wir passen einzelne Entwicklungen den jeweiligen Anforderungen der Region an und kombinieren verschiedene Bausteine zu einem individuellen Lösungskonzept.

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Trinkwassergewinnung und Wasseraufbereitung

In vielen Regionen der Erde haben Klimawandel, hoher Wasserverbrauch und eine wachsende Weltbevölkerung zu einer Verknappung der natürlichen Trinkwasserressourcen geführt. In küstennahen Gegenden, beispielsweise in Südeuropa und auf vielen Inseln des Mittelmeers, ist das Grundwasser bereits durch die Infiltration von Meerwasser versalzen.

Übliche Technologien zur Wasserentsalzung, wie Umkehrosmose und herkömmliche thermische Verfahren, sind allerdings energieintensiv und verbrauchen direkt oder indirekt große Mengen fossiler Energieträger – verbunden mit erheblichen CO2-Emissionen. Das Fraunhofer IGB entwickelt eine energieeffiziente und kostengünstige Alternative, mit der Wärmeenergie auch bei vergleichsweise niedriger Temperatur für eine mehrstufige Vakuumverdampfung von Wasser genutzt werden kann. Der für die Verdampfung erforderliche Unterdruck wird durch eine innovative Lösung allein unter Nutzung der Schwerkraft erzeugt und aufrechterhalten.

Eine weitere Ressource für die Gewinnung von Trink- oder Prozesswasser höchster Qualität ist die Luftfeuchte. Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Umsetzung von Konzepten, die es ermöglichen, die Luftfeuchte in einer hygroskopischen Salzlösung zu binden und als nutzbares Wasser abzugeben.

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Prozess- und Abwasserbehandlung

Entsalzung und Nährstoffrückgewinnung

Salze können, wenn sie in ausreichend reiner Form zurückgewonnen werden, direkt als Wertstoff wiederverwendet werden. Da sich durch vermehrte Kreislaufführung die Konzentration von Salzen in Prozessabwässern erhöht, müssen sie vor einer Einleitung zunehmend entfernt werden.

Zur Abtrennung von Salzionen sind elektrochemische (Membran-)Verfahren geeignet. Bei diesen Verfahren werden nur die geladenen Teilchen aus einer wässrigen Lösung im elektrischen Feld durch die Ionenaustauschermembran transportiert. Die Trennprozesse lassen sich wirtschaftlich zur Wertstoffgewinnung, zum Recycling von Prozesshilfssstoffen und zur Abwasserbehandlung in die Prozesskette integrieren.

Für die Rückgewinnung anorganischer Nährstoffe aus kommunalen, industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern hat das IGB einen elektrochemischen Prozess entwickelt, mit dem Stickstoff und Phosphor mit einer Magnesium-Elektrode als Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit), einen hochwertigen Dünger, ausgefällt werden.

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Biologische Verfahren zum Abbau organischer Substanz

Biologische Prozesse nutzen die Selbstreinigungskraft der Ökosysteme, in denen sich diejenigen Organismen durchsetzen, die die vorhandenen Substrate am effektivsten abbauen können. Voraussetzung ist, dass die Substrate grundsätzlich biologisch abbaubar sind. Durch technische Prozesse wie Biomasserückhaltung wird erreicht, dass diese natürlichen Vorgänge auf sehr kleinem Raum und hochintensiv ablaufen.

Das Fraunhofer IGB hat verschiedene Bioreaktoren zur Abwasserreinigung entwickelt, beispielsweise anaerobe und aerobe Schlaufenreaktoren (Gaslift-/Airliftreaktoren), Membranbioreaktoren oder einen Festbett-Umlaufreaktor, bei dem das Partikelbett periodisch umgewälzt wird. Geeignete Bioreaktoren und entsprechende Verfahrenskonzepte wählen wir anhand der spezifischen Anforderungen des jeweiligen Abwassers und der beabsichtigten Wiederverwertung aus und passen sie an regionale, klimatische und kulturelle Bedingungen an.

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Membranfiltrationsverfahren und Adsorption

In der Industrie hat sich die Membrantechnologie als Separationstechnik auch zur Aufbereitung von Rohwässern zu Prozesswässern oder für die Aufreinigung von Prozessabwässern bewährt. Sie funktionieren ohne Phasenänderung, der apparative Aufwand hält sich in Grenzen. Weitere Vorteile sind ein einfaches Upscaling (Modularität) und geringer Chemikalienverbrauch.  

Am Fraunhofer IGB werden Membranmaterialien, Membranen und Membranprozesse für die Mikrofiltration (MF, suspendierte Partikel, Bakterien), Ultrafiltration (UF, Makromoleküle, Viren und Kolloide), Nanofiltration (NF, organische Verbindungen und zweiwertige Ionen sowie Umkehrosmose (einwertige Ionen) erforscht und entwickelt.

Ein neuer Schwerpunkt sind Membranadsorber, die die Vorteile von Membranen mit denen von Adsorbermaterialien kombinieren. Hierzu statten wir Membranen mit speziellen funktionellen Gruppen aus, um spezifisch Verunreinigungen wie beispielsweise Schwermetallionen (Pb, Cd, Cu) oder organische Moleküle (Penicillin G, Bisphenol A) aus Prozessabwässern mittels Adsorption zu entfernen. Membranadsorber werden auch zur Konzentrierung von Lösungen mit niedriger Schadstoffkonzentration eingesetzt, um die angereicherte Lösung anschließend energieeffizient mit AOP-Technologien zu behandeln und den Schadstoff zu zerstören.

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Physikalisch-chemische Verfahren

Advanced Oxidation Processes (AOP)

Unter oxidativer Wasseraufbereitung (AOP, Advanced Oxidation Processes oder AOT, Advanced Oxidation Technologies) werden Verfahren zur chemischen Aufbereitung zusammengefasst, bei denen hochreaktive Hydroxylradikale für die Oxidation schwer abbaubarer Wasserinhaltsstoffe genutzt werden.

AOP-Verfahren werden immer dann eingesetzt, wenn ein biologischer Abbau nicht oder nicht effizient möglich ist, beispielsweise weil die Verunreinigungen persistente Substanzen beinhalten. Ferner sind AOP-Prozesse das Mittel der Wahl, wenn das Prozessabwasser toxisch auf die Mikroorganismen einer biologischen Reinigungsstufe wirkt oder äußerst diskontinuierlich anfällt. In vielen Fällen empfiehlt sich auch eine Verfahrenskombination mit einem reduktiven Teilabbau als energiegünstigste Variante. Die Möglichkeit, verschiedenste Kombinationsbehandlungen im Labor und Technikum des IGB zu testen, ist eines unserer Alleinstellungsmerkmale.

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Elektrophysikalische Fällung (EpF) und Koagulation mit Opferanoden

Bei diesem am IGB etablierten Verfahren wird das zu behandelnde Wasser durch einen Reaktor geleitet, in dem Opferelektroden von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Im Zuge elektrochemischer Reaktionen lösen sich die Opferelektroden unter Freisetzung ihrer Metallionen auf und es entstehen Metall-Hydroxidflocken. Diese haben ein hohes Adsorptionsvermögen und können fein verteilte, nicht sedimentationsfähige Partikel im Größenbereich weniger Mikrometer oder kleiner an sich binden. Bei der Hydroxidflockenbildung kommt es zudem zu Mitfällungs- und Einschlussfällungsreaktionen, bei denen auch gelöste organische und anorganische Stoffe gefällt werden. Die ausgefällten Stoffe lassen sich mechanisch durch Sedimentation oder Filtration abscheiden.

Die elektrophysikalische Fällung ersetzt herkömmliche chemische Flockung-Fällungstechniken mit dem Vorteil, dass die Flockungsmittel elektrolytisch aus Feststoffelektroden direkt am Ort des Bedarfs in gelöster Form bereitgestellt und bedarfsabhängig dosiert werden. Als Elektrodenmaterial können Eisen oder Aluminium aus Standardblechen eingesetzt werden, welche kostengünstig, stets verfügbar und einfach zu handhaben sind. Es wird gezielt nur das Metallion dem zu behandelnden Wasser beigefügt, eine Aufsalzung findet nicht statt.

Besonders geeignet ist das EpF-Verfahren auch für die Spaltung stabiler Emulsionen, beispielsweise Bohr- und Schneidölemulsionen oder Abwässer aus Waschprozessen, die sonst häufig durch Zusatz von Spaltchemikalien erfolgt.

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Thermische Verfahren

Thermische Wasseraufbereitungsverfahren wie Erhitzen, Destillation und Rektifikation (thermische Stofftrennung) finden breiten Einsatz in Industrie und Gewerbe. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Technologien oft relativ einfach und robust gestaltet sind und sich die thermische Energieversorgung meist ohne großen Aufwand durch Befeuerung, Prozessdampf oder elektrische Beheizung realisieren lässt. Auf der anderen Seite sind thermische Aufbereitungsverfahren energieintensiv, was im Zuge eines verantwortungsvollen Umgangs mit Energieressourcen und steigenden Kostendrucks neue technische Lösungen notwendig macht.

Ziel von Forschung und Entwicklung am Fraunhofer IGB ist es daher, durch die Optimierung und Kombination verschiedener Verfahren effiziente und kostengünstige thermische Aufbereitungsverfahren zu realisieren, um auch Abwärme oder solarthermisch erzeugte Wärme nutzen zu können. Verfahren für eine solare Meerwasserentsalzung, die Konzentrierung von Industrieabwässern und die Rückgewinnung von Lösemitteln sind Beispiele für Verfahren, die im Fraunhofer IGB bearbeitet werden.

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Kombination verschiedener Verfahren und Systemintegration

Aufgrund der komplexen Zusammensetzung typischer industrieller Prozesswässer ist eine effiziente Stofftrennung in einem Schritt üblicherweise nicht möglich. Durch die Kombination und Integration verschiedener Verfahren erarbeiten wir effiziente, aufeinander abgestimmte Lösungen, die in Bezug auf Selektivität und Energieeffizienz in ihrer Gesamtwirkung als Prozesskette optimiert sind.

Automatisierung und autonomer Betrieb

Wir entwickeln Prozesskonzepte nach Möglichkeit so, dass sie flexibel betrieben und beispielsweise für einen Standby-Betrieb geeignet, das heißt jederzeit zu- und abschaltbar sind. Die Integration in bestehende Anlagen und die Automatisierung bis hin zum autonomen Betrieb oder zur Fernsteuerung sind möglich. Wo erforderlich, integrieren wir eine Online-Analytik, beispielsweise zur kontinuierlichen Erfassung des organischen Kohlenstoffs (TOC, Total Organic Carbon), um eine bedarfsabhängige und folglich energieoptimierte Aufbereitung zu gewährleisten.