Niederdruckverdampfung von Industrieabwässern

Aufkonzentrierung von wässrigen Lösungen und Abwässern im Entsorgungsbehälter

In vielen kleinen und mittleren Industriebetrieben fallen stark verunreinigte Abwässer an, die entsprechend den geltenden Richtlinien aufbereitet oder entsorgt werden müssen. Dabei wird bei kleineren Abwassermengen üblicherweise eine Entsorgung durch externe Dienstleister gewählt. In diesem Fall bietet die Vakuumverdampfung deutliche Einsparpotenziale, durch eine effiziente Reduzierung des Abwasservolumens und durch die Möglichkeit der Rückgewinnung von Wasser und enthaltenen Wertstoffen. Die niedrigen Prozesstemperaturen ermöglichen beispielsweise die Verwendung von Abwärme aus der Produktion oder auch von Wärme aus solarthermischen Modulen.

Projektinformationen

Projekttitel

Entwicklung Niederdruckverdampfer

 

Projektlaufzeit

Januar 2009 – Juni 2009

 

Koordinator

  • Fraunhofer IGB

 

Kooperationspartner

  • Maschinenbau Lohse GmbH

Ausgangssituation

In industriellen Produktionsbetrieben fällt oftmals hoch belastetes Abwasser an, das nicht ins kommunale Abwassernetz eingeleitet werden darf. Die Verunreinigungen sind teilweise sehr komplex und schwer abbaubar (Schwermetalle, Cyanid-Salze, Lösemittel, komplexe chemische Verbindungen, etc.). Für viele Unternehmen stellt dies ein Problem dar. Selbst wenn eine Aufbereitung möglich wäre, kann insbesondere in kleinen Betrieben, in denen oft nur geringe Mengen Abwasser anfallen, eine eigene herkömmliche Wasseraufbereitungsanlage nicht ökonomisch bzw. effizient betrieben werden.

In vielen Fällen muss daher eine externe Entsorgung durch einen Dienstleister beauftragt werden, wobei dann meist eine thermische Verwertung oder in manchen Fällen eine Deponierung als Sondermüll erfolgt.
Die Kosten für eine externe Entsorgung betragen je nach Branche bzw. Abwasserart bis zu 700 €/m³ zuzüglich der Transportkosten von bis zu 500 €/m³.

Typisch für derartige Abwässer ist, dass die Schadstoffkontamination sehr häufig in einer hohen Verdünnung mit einem Wasseranteil von 90 % und mehr vorliegt. Da sich die Entsorgungskosten nach dem Abwasservolumen richten, wirkt sich der Wasseranteil entscheidend auf diese aus. Zudem gehen dem Betrieb durch die Entsorgung des Abfallstoffes sowohl dasenthaltene Wasser als auch  Wertstoffe, z. B. in Form organischer Lösemittel, ohne die Möglichkeit einer Rückgewinnung verloren.

Lösungsansatz

Die Destillation, beziehungsweise Verdampfung ist ein traditionelles und allgemein bekanntes Verfahren zur Stofftrennung und bietet auch hier eine Möglichkeit der Problemlösung.

Das Prinzip dieses thermischen Trennverfahrens ist, das Wasser und andere flüchtige Bestandteile durch Verdampfen und Kondensieren zu entfernen – bei gleichzeitiger Rückhaltung der restlichen Abwasserinhaltsstoffe. Generell ist die notwendige Verdampfungstemperatur vom Druck abhängig, wobei sie sich mit sinkendem Druck, also im Vakuum, deutlich reduziert.

Vakuumverdampfung zur Volumenreduzierung

Abb. 2: Versuchsaufbau im Labormaßstab

Bild 1: Versuchsaufbau im Labormaßstab.

Beispiel eines Abwassers (links) mit Konzentrat und Destillat zum Vergleich

Bild 2: Beispiel eines Abwassers (links) mit Konzentrat und Destillat zum Vergleich.

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat in einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt mit der Firma Maschinenbau Lohse dieses Prinzip der Verdampfung unter Vakuum zunächst in einer geeigneten Glas-Apparatur im Labormaßstab umgesetzt.

Hier konnten unterschiedliche Abwasserarten aus verschiedenen Branchen der Industrie bearbeitet und entsprechend analysiert werden.

Einerseits um das Verfahren im Allgemeinen zu validieren und andererseits um branchenspezifische Abwassereigenschaften identifizieren zu können und den jeweiligen Nutzen der Behandlung zu beurteilen.

Insbesondere wurden verschiedene Abwässer aus der galvanischen Industrie, aus der Farbmittelherstellung und aus der Druckwalzenreinigung untersucht. In den Bildern 1 und 2  sind die Laboranlage sowie ein Abwasser und das zugehörige Konzentrat bzw. Destillat dargestellt.

Erster mobiler Prototyp

Abb. 4: CAD-Modell des Prototypen

Bild 3: CAD-Modell des Prototypen.

Abb. 5: Fertiggestellter Prototyp

Bild 4: Fertiggestellter Prototyp.

Auf den Laborversuchen aufbauend wurde in einer Kooperation zwischen der Maschinenbau Lohse GmbH und dem Fraunhofer IGB ein Verfahren zur Vakuumverdampfung entwickelt, das in einer modularen Anlage dargestellt werden kann. Ein erster mobiler Prototyp dieses Systems, der beispielsweise bei Interessenten zum Probebetrieb aufgebaut werden kann, wurde bereits umgesetzt und befindet sich momentan in der Inbetriebnahme- und Validierungsphase (Bilder 3 und 4).

Es handelt sich dabei um ein System, das auf einfachen Technologien basiert und daher wartungsarm ist. Insbesondere zum Vorteil kleiner und mittlerer Unternehmen wurde ein innovatives Anlagendesign entwickelt, das eine Eindampfung des Abwassers direkt in einem gebräuchlichen Entsorgungsbehälter ermöglicht und somit den Aufwand für Umfüll- und Reinigungsarbeiten minimiert. Zudem sollen Ablagerungen oder Verkrustungen in der Anlage und resultierende Stillstandzeiten vermieden werden.

Aufgrund der durch das Vakuum reduzierten Siedetemperatur lassen sich für diesen Prozess Wärmeströme ab einer Temperatur von ca. 40-50 °C nutzen. Insbesondere wird die Nutzung von Abwärme niederer Temperatur oder solarer Wärme als Energiequelle ermöglicht. Weiterhin kann die bei der Kondensation des Dampfes wieder frei werdende Energie genutzt werden, beispielsweise zur Vorwärmung des Schmutzwassers oder verschiedener Prozessströme im Produktionsbetrieb.

Das nach diesem Verfahren entfernte Wasser kann in vielen Fällen in der Produktion oder auch zu Spülzwecken wieder eingesetzt werden. Darüber hinaus lassen sich in diesem Prozess im Prinzip auch organische Lösemittel abtrennen und wieder einsetzen. Durch die Kondensation des Dampfes in mehreren Schritten bei unterschiedlichen Temperaturen können theoretisch sogar unterschiedlich flüchtige Abwasserinhaltsstoffe separat abgetrennt und zurückgewonnen werden.

Versuche im Technikumsmaßstab

Um die theoretischen und praktischen Grundlagen für eine solche selektive Trennung weiter zu erschließen werden neben der Pilotierung zusätzlich Versuche im Technikumsmaßstab durchgeführt. Zu diesem Zweck steht eine automatisch arbeitende Laboranlage zur fraktionierten Destillation zur Verfügung, in der verschiedene Modellabwässer behandelt werden können. Im Vorlauf wurden dazu, durch Literatur- und Marktrecherche, die wichtigsten industriellen Lösemittel identifiziert, die für eine Anwendung in dem dargestellten Verfahren in Betracht kommen. Besonders wichtige Kriterien für die Eignung unterschiedlicher Lösemittel sind dabei der Verlauf ihrer Dampfdruckkurven – insbesondere in Bezug auf Wasser – und eventuelle physikalisch-chemische Wechselwirkungen, Bildung von Azeotropen, etc. Durch diese Faktoren wird die Durchführbarkeit bzw. der Aufwand einer Abtrennung unterschiedlicher Komponenten wesentlich beeinflusst.

Anwendung

Das beschriebene System zielt insbesondere auf die flexible Anwendung in kleinen und mittleren Betrieben ab, die ihr Abwasser bisher gar nicht oder nur teilweise in eigenen Anlagen aufbereiten können und so von Entsorgungsdienstleistern abhängig sind. Die zu entsorgenden Abwassermengen lassen sich in solchen Fällen signifikant reduzieren. Darüber hinaus wird oft eine optimierte Nutzung von Rohstoffen und von Prozesswasser- bzw. Wärmeströmen möglich sein. Zielbranchen sind beispielsweise die Farb-/Druck- oder Textilindustrie sowie die Metall- bzw. Galvanikindustrie.

Förderung

Die beschriebene Entwicklung wurde teilweise über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert (Förderkennzeichen KA 0602701WD7 / KA 2388501).

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