Prozesswasseraufbereitung und Abwasserreinigung

Die langjährige technische Expertise des Instituts bietet sowohl biologische als auch physikalisch-chemische Methoden und Lösungen zur Abwasserreinigung und Schlammaufbereitung für Industrie und Kommunen. Maßgeschneiderte Membranen, Filter und Adsorbentien gehören außerdem zum Portfolio des IGB in der zukünftigen erweiterten Wasser- und Abwasserreinigung.

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.

 

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.

Membranfiltrationsverfahren und Adsorption

Membranadsorber REM.
© Fraunhofer IGB
REM-Aufnahme einer partikelgefüllten Polyethersulfon-Flachmembran.

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.

 

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.

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.

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.

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.