Biotechnische Metallfällung im Festbettumlaufreaktor

Bevor industrielle Abwässer gereinigt und entsorgt werden können, müssen sie ganz unterschiedlich aufgearbeitet werden. Dies hängt von einzelnen Faktoren ab wie z. B. Verschmutzungsart und Konzentration, Durchsatz und Reinigungsgrad, aber auch wirtschaftliche und technische Umsetzungsmöglichkeit. Der Reinigungsprozess kann dabei biologische, chemische oder mechanische Verfahrensschritte erfordern, wobei es in den meisten Fällen von Vorteil ist, verschiedene geeignete Verfahrensschritte in einem Prozess zu kombinieren.

Stand der Technik

Bei der Be- und Verarbeitung von metallischen Werkstoffen fallen flüssige und feste Abfälle aus Kühlschmierstoffen, Reinigungslösungen und Schleifschlämmen an. Deren Mengen konnten aufgrund zahlreicher Vermeidungs- und Verwertungsstrategien in den letzten Jahren stark reduziert werden. Dennoch fallen nicht vermeidbare Abfälle an. Dabei handelt es sich weitgehend um Stoffgemische aus wässerigen, öligen und partikulären Bestandteilen. Diese werden seither mit mechanischen sowie physikalisch-chemischen Trenntechniken aufgearbeitet. Die Entsorgung erfolgt oft durch Ultrafiltration und Eindickung der Ölphase im Dünnschichtverdampfer. Das Filtrat enthält gelöste Metalle, deren Konzentration die gesetzlich vorgeschriebenen Einleitwerte überschreiten könnte.

Lösung: Verfahren mit Festbett-Umlaufreaktors

 REM-Aufnahme eines mit sulfatreduzierenden Bakterien bewachsenen Partikels (3000-fache Vergrößerung).
Bild 1: REM-Aufnahme eines mit sulfatreduzierenden Bakterien bewachsenen Partikels (3000-fache Vergrößerung).
 Schema der Versuchsanlage.
Bild 2: Schema der Versuchsanlage. Im Festbettumlaufreaktor erfolgt die biologische Reduktion von Sulfat zu Sulfid mit nachfolgender Fällung der vorhandenen Metalle als Metallsulfide. Der Austrag der Metallsulfide während der Festbettreinigung findet in einem Hydrozyklon statt.

Deshalb entwickelt das Fraunhofer IGB im Auftrag der DaimlerChrysler AG ein biotechnisches Verfahren, das die Konzentration der gelösten Metallionen senkt. Bei diesem Prozess wird die Fähigkeit sulfatreduzierender Mikroorganismen genutzt, für den eigenen Stoffwechsel Sulfat-Schwefel zu Sulfid-Schwefel zu reduzieren. Durch das niedrige Löslichkeitsprodukt von Metallsulfiden kommt es zur Fällung der anwesenden Metalle. Eine geeignete Mikroflora sulfatreduzierender Mikroorganismen wurde auf porösen Festbettpartikeln für den Einsatz in einem Festbett-Umlaufreaktor immobilisiert (Bild 1).

Prinzip des Festbett-Umlaufreaktors

Der Festbett-Umlaufreaktor wurde am Fraunhofer IGB entwickelt und zeichnet sich dadurch aus, dass durch periodisches Umwälzen der Festbett-Partikelschüttung Verblockungen verhindert werden.

Das Prinzip des Festbett-Umlaufreaktors ist in Bild 2 dargestellt. Der Reaktor ist weitgehend mit der Partikelschüttung gefüllt. Der Durchsatz des Abwassers wird dem Reaktor unten über die Zulaufleitung zugeführt, durchströmt das Festbett von unten nach oben und wird auf diesem Weg biologisch und mechanisch gereinigt. Der kontinuierliche Durchsatz verlässt den Reaktor über Kopf durch den Ablauf. Um neben dem normalen Betrieb zu bestimmten Zeiten die periodische Partikelreinigung zu realisieren, ist der Reaktor mit einem inneren Förderrohr ausgerüstet. Während der Reinigung wird Flüssigkeit aus dem Kopfraum des Reaktors abgezogen und über eine Pumpe unten in das Förderrohr eingedüst. Dadurch werden die Partikel hydraulisch nach oben gefördert, aufgrund der Turbulenzen auf diesem Weg gereinigt und oben auf das bewegte Festbett aufgebracht. Für den Austrag der Metallsulfide während der Festbettreinigung dient ein Zyklon im Umwälzstrom.

Der Festbett-Umlaufreaktor kann hinsichtlich des Verweilzeitverhaltens sowohl als Rührkesselreaktor als auch als Rohrreaktor betrieben werden, je nachdem ob er mit oder ohne Kreislaufstrom betrieben wird (siehe Bild 2).

Ergebnisse

 Foto der Versuchsanlage.
Bild 2b: Foto der Versuchsanlage.
Prozentuale Reduzierung einzelner Metall-konzentrationen im Betriebsversuch bei einer Verweilzeit von 2 Stunden.
Bild 3: Prozentuale Reduzierung einzelner Metall-konzentrationen im Betriebsversuch bei einer Verweilzeit von 2 Stunden.

In einem einjährigen Betriebsversuch bei DaimlerChrysler wurde ein Teilstrom der zur Entsorgung anfallenden Kühlschmierstoffe mit einer 20-Liter-Pilotanlage behandelt. Hierbei wurden Verweilzeit und Belastung variiert. Die Konzentration der gelösten Metallionen lag in der mikrofiltrierten Ablaufprobe immer unter dem gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwert. In Bild 3 ist beispielhaft für eine hydraulische Verweilzeit von einer Stunde die prozentuale Reduzierung einzelner Metallionen dargestellt.

Zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Anlage und damit der Stabilität des Prozesses bei sehr hohen Zulaufkonzentrationen an Metallionen wurden Belastungsexperimente in einer 35-Liter-Pilotanlage am IGB durchgeführt. Hierzu wurde im Reaktorzulauf für kurze Zeit die Konzentration verschiedener Metallionen auf den fünffachen Grenzwert erhöht. Die Bilanzierung der Zu- und Ablaufmengen ergibt bei diesen extremen Belastungen für alle eingesetzen Metalle eine Reduzierung von mindestens 80 % ohne Beeinträchtigung der biologischen Aktivität.

Der Austrag der Metallsufide während der Reinigung des Festbetts erfolgt über einen im Umwälzstrom integrierten Hydrozyklon (Bild 2). Der bei einem Reinigungsvorgang abgetrennte Feststoff enthält mindestens 5 g Metall pro kg Feststoff.