Abwasserreinigungsverfahren und Reaktorkonzepte

Biologische Verfahren zur Wasseraufbereitung

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 Abwasseraufbereitung entwickelt, beispielsweise anaerobe und aerobe Schlaufenreaktoren (Airlift-/ Gasliftreaktoren), Membranbioreaktoren oder einen Festbett-Umlaufreaktor, bei dem das Partikelbett periodisch umgewälzt wird. Festbettreaktoren werden in der Anaerobtechnik eingesetzt, um die aktive Biomasse, die sich auf und zwischen den Partikeln immobilisieren kann, zurückzuhalten. Beim Festbett-Umlaufreaktor des Fraunhofer IGB wird zu bestimmten Zeiten das Festbett partiell umgewälzt und dadurch ein dauernder störungsfreier Betrieb ermöglicht.

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.  

Anaerobe Verfahren für Abwässer mit hoher organischer Belastung

Anaerobe Abwasserreinigungsverfahren eignen sich besonders für Abwässer mit einem hohen biologischen Sauerstoffbedarf (BSB5), wie sie beispielsweise in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, auf Schlachthöfen oder auch auf Flughäfen (Enteisungsmittel) vorkommen. Größere Betriebe verfügen oftmals über eine eigene biologische Kläranlage, die traditionell aerob betrieben wird. Nachteile sind der hohe Energiebedarf für die Belüftung und Durchmischung, meist auch Nährstoffmangel (N und P) und die Entstehung großer Mengen Klärschlamm, der kostenintensiv entsorgt werden muss.

Eine wirtschaftliche Alternative, die wir mit verschiedenen Partnern realisiert haben, bietet der Einsatz moderner Anaerobtechnik. Hierbei wird energetisch nutzbares Biogas gebildet und das Schlammaufkommen um den Faktor zehn reduziert.

Reaktorkonzepte für die Rückhaltung und Konzentrierung der Biomasse

Charakteristisch für die anaerobe Umsetzung ist der geringe Zuwachs von Biomasse, da der Großteil der in den Abwasserkomponenten enthaltenen Energie in das Endprodukt Methan übergeht. Für eine Steigerung der Umsetzungsgeschwindigkeit muss die aktive Biomasse daher im Reaktor zurückgehalten und konzentriert werden. Dies kann durch Immobilisierung der Biomasse auf einem Trägermaterial in einem Festbettreaktor oder durch mechanische Rückhaltung in einem Membranbioreaktor geschehen.

Das Fraunhofer IGB verfügt über Reaktoren verschiedener Art und Größe, um die anaerobe Reinigung von Abwasserproben zu untersuchen. Am Anfang steht eine Analyse der Abbaubarkeit des spezifischen Abwassers, angelehnt an die Vorgehensweise der DIN EN ISO 11734 »Vollständige anaerobe biologische Abbaubarkeit im Faulschlamm« und DIN 38414 »Schlamm und Sedimente«, Teil 8 »Bestimmung des Faulverhaltens«. Nach der Optimierung des Prozesses im halbtechnischen Maßstab in unserem Biotechnikum bieten wir auch das Upscaling vor Ort im Unternehmen an.

 

Festbettreaktor mit umwälzbaren Partikeln

Mit Hilfe der ermittelten Auslegungsdaten wurden verschiedene Festbettreaktoren mit umwälzbaren Partikeln dimensioniert, aufgebaut und hinsichtlich der strömungstechnischen Funktion im Demonstrationszentrum für prozessintegrierte Umwelttechnik des Fraunhofer IGB untersucht.

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Energieoptimierte Filtrationstechnik für die Abwasserreinigung

Wissenschaftler am Fraunhofer IGB haben einen Rotationsscheibenfilter (RSF) entwickelt, bei dem durch Rotation eine wirkungsvolle Deckschichtkontrolle erreicht wird. Dadurch eröffnen sich neue Anwendungsbereiche für die Membranfiltration wie zum Beispiel die industrielle oder kommunale Abwasserreinigung.

Referenzprojekte

Abwassermanagement für Fleischproduzenten in Ecuador

Keine der vorhandenen Abwasserbehandlungsanlagen ist derzeit in der Lage, die Grenzwerte nach der neuen ecuadorianischen Umweltgesetzgebung einzuhalten. Auch neue angebotene Abwasserreinigungsanlagen wären nach einer Analyse dazu nicht geeignet gewesen. Um fundierte Daten als Grundlage für technische Erweiterungen der vorhandenen Anlagen zu gewinnen, sah der Aktionsplan als ersten Schritt ein Messprogramm zur Bestimmung der wesentlichen Abwasserparameter vor.

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Anaerobe Abwasserreinigung in der Lebensmittelindustrie

Viele größere Betriebe in der Lebensmittelindustrie verfügen wegen des hohen CSB-Aufkommens ihrer Abwässer über eine eigene biologische Kläranlage, die meistens traditionell aerob betrieben wird. Diese Anlagen erfordern oft einen hohen Energieeinsatz zur Belüftung und Durchmischung. Zudem erzeugen sie als Endprodukte Kohlendioxid und große Mengen Klärschlamm, der heutzutage kostenintensiv (50–90 € pro Tonne) entsorgt werden muss.

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Eliminierung von Spurenstoffen aus Krankenhausabwasser

Um eine Technologie zur effizienten und vollständigen Eliminierung auch kritischer Substanzen zu entwickeln, besteht weiterhin Forschungsbedarf. In einem Folgeprojekt soll die Versuchsanlage durch einen zweiten, aerob betriebenen Bioreaktor ergänzt werden, um den Arzneimittelabbau in einem zweistufigen Anaerob-/Aerob-Prozess zu testen.

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Grauwasseraufbereitung für Boote und kleine Jachten in sensiblen Gewässern

Das Ziel des hier vorgestellten Projekts ist es ein Grauwasserfiltersystem zur Installation auf Booten und Jachten bis 24 m Länge zu entwickeln, mit dem das Grauwasser aufbereitet und danach ohne Bedenken in das Gewässer geleitet werden kann.

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Mobile modulare Pilotanlage zur biologischen Reinigung industrieller Abwässer

Laufzeit: November 2012  – Dezember 2016

Das Abwasser aus industriellen Fertigungsprozessen ist in seiner Zusammensetzung meist einzigartig und je nach Produktionszyklus variabel. Um vor Auslegung einer Abwasserreinigungsanlage in Pilotversuchen die optimalen Reinigungsverfahren ermitteln zu können, hat das Fraunhofer IGB eine mobile Anlage zum Pilotbetrieb im Unternehmen entwickelt. Die Anlage kombiniert bei Bedarf einen aeroben mit einem anaeroben Verfahrensschritt.

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Reinigung lösemittelhaltiger Abwässer im Festbett-Umlaufreaktor

Festbettreaktoren werden in der Biotechnik eingesetzt, um die aktive Biomasse, die sich auf und zwischen den Partikeln immobilisieren kann, zu erhöhen und somit eine Steigerung der Umsetzungsgeschwindigkeit zu erreichen. Am Fraunhofer IGB wurde ein Festbett-Umlaufreaktor entwickelt, bei dem zu bestimmten Zeiten das Festbett partiell umgewälzt und dadurch ein dauernder störungsfreier Betrieb ermöglicht wird.

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