Kostbares Nass

Trendbericht Wassertechnik: Integriertes Wasser-Management und Kreislaufführung

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25.05.2012 Der Schlüssel zu einer nachhaltigen Nutzung von Prozesswässern in der Industrie liegt in der Kreislaufführung. Geschlossene Wasserkreisläufe reduzieren den Wasserverbrauch, ermöglichen das Recycling von Wertstoffen, minimieren die Abwassermenge und verbrauchen zudem weniger Energie. Ganzheitliche Systembetrachtungen stehen deshalb im Mittelpunkt der Anbieter von Wasseraufbereitungstechnologien.

Entscheider-Facts Für Anwender

  • Die chemische Industrie ist einer der größten Wassernutzer und stellt zugleich Schlüsseltechnologien für die Wassernutzung bereit.
  • Das EU-geförderte Projekt Chemwater soll europäische Initiativen im Rahmen bestehender Technologie-Plattformen vernetzen, um neue Erkenntnisse aus den Bereichen Nanotechnologie, Materialforschung und Prozessinnovation auszuwerten und für ein nachhaltiges industrielles Wasser-Management zu nutzen.
  • Kerngedanke des Projektes ist es, nicht nur den Nutzen von Wasser für die Chemie zu berücksichtigen, sondern auch den Nutzen der Chemie für das Wasser-Management. Damit soll die Rolle der Prozessindustrie als Technologieanbieter und Know-how-Träger unterstrichen werden.
  • Die chemische Industrie als Ausgangspunkt bietet den Vorteil, dass hier gewonnene Erkenntnisse auf eine Vielzahl anderer Branchen übertragbar sind.

Juni 2012

Der Schlüssel zu einer nachhaltigen Nutzung von Prozesswässern in der Industrie liegt in der Kreislaufführung (Bild: © fotografiedk-Fotolia.com)

Innovative Verfahren und Prozesse im Bereich der Prozess- und Abwasserbehandlung zielen darauf ab, Umweltbelastungen zu reduzieren und die Kosteneffizienz zu erhöhen. Solche Verfahren können bewirken, dass die an die Umwelt abgegebene Abwassermenge oder deren Verunreinigungen vermindert werden, verwertbare Stoffe dem Abwasserstrom gezielt entnommen und einer Wiederverwendung zugeführt werden (etwa Lignin, Polyphenole) oder die Mehrfachnutzung der Wasserressourcen erhöht wird.

Der „Carbon Footprint“ in der Wasseraufbereitung

Veolia bewertet deshalb die Verfahren in der Wasser- und Abwasserbehandlung systematisch hinsichtlich der Emission klimaschädlicher Gase über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Dank der Gesamtbilanz für Kohlenstoff ist das Unternehmen in der Lage, verschiedene Lösungen zur Wasseraufbereitung zu ermitteln und mögliche Einsparmaßnahmen mit den damit verbundenen Kosten und Vorteilen aufzuzeigen. Zur Berechnung der Emissionen beim Bau der Anlagen werden die Systeme in ihre Bestandteile zerlegt betrachtet. Die Rohmaterialen wie zum Beispiel Stahl, Aluminium und verschiedene Kunststoffarten werden quantifiziert und mit CO2-Emissionskoeffizienten multipliziert. Die dabei verwendeten Koeffizienten stammen aus mehreren international anerkannten Datenbanken. Die wichtigsten Faktoren für den Betrieb sind die eingesetzten Rohwassertypen, Energieverbrauch und Betriebsmittel.

Integriertes Wasser-Management

Eine Produktionsanlage, die kein Wasser abführen muss, dürfte eine der konsequentesten Umsetzungen für einen ressourcenschonenden Umgang mit Wasser sein. Grundlagen für die Realisierung eines solchen Projektes schafft die niederländische Evides Industriewasser B.V. in China: Dort wird im trockenen Norden eine Demonstrationsanlage für die Aufbereitung von Abwasser zu hochwertigem Industrieprozesswasser gebaut. Die Anlage wird Teil eines Prozesswasserkreislaufs sein, in den das gereinigte Wasser immer wieder zurückgeführt werden kann. Die hochkonzentrierte Schadstofffracht wird zum Feststoff eingedampft und entsorgt. Hintergrund ist die in der Region begrenzte Verfügbarkeit von Süßwasser sowie fehlende Vorfluter für das Einleiten von Abwässern.

Das Aufbereiten von Abwasser zur Weiterverwendung ist einer der Schwerpunkte dieses Anbieters. Im Hafengebiet von Rotterdam konnte zum Beispiel mit einem neuartigen Verfahrenskonzept eine erhebliche Verbesserung der Wasserqualität für Industriekunden erzielt werden. Hier besteht ein hoher Bedarf an ultrareinem demineralisiertem Wasser, gleichzeitig ist bei Grund- und Oberflächenwasser ein steigender Salzgehalt zu erwarten. Bei diesem Großprojekt wurde eine Kombination von bewährten Verfahren mit neuen Technologien realisiert: So dient für die Demineralised Water Plant (DWP) das Wasser aus dem Brielse Meer, einem nahe gelegenen See, als Hauptquelle. Das Verfahrenskonzept setzt Flotation und Filtration sowie Ionentauscher im Zusammenspiel mit Membranen ein. Eine neue Membrantechnologie reduziert den Einsatz von Reinigungschemikalien und verlängert die Standzeit der Membranen. Vertikal angeordnete Druckrohre sind mit Ventilen versehen, so dass beim Reinigungs- und Rückspülvorgang Luft zugeführt werden kann. Das reduziert Kosten und schont gleichzeitig die Umwelt.

Elektrolytische Roh- und Prozesswasseraufbereitung

Ein am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik (IGB) etabliertes Verfahren ist die elektro-physikalische Fällung (EpF). Hier wird das zu behandelnde Wasser durch einen Reaktor geleitet, in dem Opferelektroden von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Dies führt dazu, dass zwischen ihnen elektrochemische Reaktionen ablaufen und sich die Opferelektroden unter Freisetzung ihrer Metallionen auflösen. Dabei entstehen in Advanced Oxidation-Prozessen (AOP) neben reaktiven Radikalen auch Metall-Hydroxidflocken. Diese elektrolytisch gebildeten Metall-Hydroxidflocken haben ein hohes Adsorptionsvermögen und können so fein verteilte Partikel binden. Außerdem kommt es zu Mitfällungs- und Einschlussfällungsreaktionen, bei denen gelöste organische und anorganische Stoffe gefällt werden. Die ausgefällten Stoffe lassen sich dann mechanisch abscheiden.

Oxidative und adsorptive Verfahren wie die EpF können je nach Aufgabenstellung kombiniert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Prozesse liegt darin, dass sie für einen Standby-Betrieb geeignet und jederzeit zu- und abschaltbar sind. Die Integration in bestehende Anlagen und die Automatisierung bis hin zum autonomen Betrieb oder zur Fernsteuerung sind problemlos möglich. So kann beispielsweise die kontinuierliche Online-Erfassung des organischen Kohlenstoffs (TOC, total organic carbon) eine bedarfsabhängige und folglich energieoptimierte Aufbereitung gewährleisten.

Durch das Einsparen von Chemikalien bieten elektrolytische und oxidative Verfahren attraktive und nachhaltige Lösungen, um Betriebs-, Prozess- und Abwasser von Substanzen zu befreien, die in einer biologischen Klärstufe nicht abgebaut werden. Die für den Betrieb der Anlage benötigte Energie kann als elektrischer Strom auch regenerativ durch Photovoltaik- oder Windkraftanlagen bereitgestellt werden.

Prozesswasser-Kreislaufführung in der Galvanik

In der Oberflächentechnik ist die prozessintegrierte Nutzung von Wasser durch Mehrfachnutzung und Kreislaufführung weiter verbreitet als in der allgemeinen Chemie. Die Betrachtung von Teilströmen, die dem zu Grunde liegt, beinhaltet auch für die chemische Industrie Einsatzmöglichkeiten für die Membrantechnik. In der Regel ist die Trennung und separate Aufbereitung von Teilströmen jedoch mit einem neuen Konzept für die „Wasser-Logistik“ im Betrieb verbunden und deshalb aufwendig. In der Abwassertechnik hat sich seit einigen Jahren, gerade in der pharmazeutischen Industrie, der MembranBioReaktor (MBR) einen festen Platz erobert. Die Anwendung findet in der Regel End-of-the-Pipe statt, d. h. am Ende des Prozesses. Die Membran sorgt dafür, dass der biologische Reinigungsprozess sehr weitgehend ablaufen kann, und die Membran als Barriere sorgt für einen feststofffreien Ablauf. Die sehr hohe Reinigungsleistung von MBR-Anwendungen ist eine notwendige Voraussetzung für den Einsatz von beispielsweise Umkehrosmosen für echtes Wasser-Recycling. Dieser Weg wird bereits in der chemischen und pharmazeutischen Industrie und benachbarten Industriezweigen verfolgt. Er stellt eine Möglichkeit dar, den spezifischen Wasserverbrauch zu senken.

Wasserrecycling in der Getränkeindustrie

Einer der größten Wasserverbraucher im Getränkebetrieb ist die Flaschenwaschmaschine. Hier wird in der Spülzone mit einem Aufwand von 100 bis 1.000 ml Wasser/Flasche die Reinigungslauge in einer mehrstufigen Kaskade aus den Flaschen ausgespült. Typischerweise wird der Ablauf aus der Spülzone für die Vorweiche und bzw. oder den Kastenwäscher weiterverwendet. Auch die Energie zum Erwärmen der Reinigungsmedien ist beträchtlich.

Die Prozessphilosophie des Wasserrecyclings der Fuma-Tech beruht darauf, für alle mit dem Spülprozess in das Wasser eingetragenen Verunreinigungen eine „Senke“ zu schaffen. Der Aufbereitungsprozess besteht aus einer Verfahrenskombination von Ultrafiltration und Umkehrosmose, kombiniert mit einer zweistufigen Neutralisation. Die Ausrüstung des Recyclingsystems mit UV-Desinfektionsanlagen und einer automatisierten Membranreinigung und Anlagendesinfektion sorgt dafür, dass auch unter kritischen Rohwasserbedingungen eine Anlagenverkeimung unterbleibt. Typischerweise können mit dem Wasserrecycling 50 bis 60?% des Frischwassers eingespart werden. Das Produktwasser ist weitgehend entsalzt und entspricht in den Qualitätsanforderungen der Trinkwasserverordnung.

Prozessanalytik und Prozessautomatisierung

Derzeit fehlen noch geeignete Verfahren, um eine differenzierte Beurteilung der Leistungsfähigkeit und der Qualitätskontrolle wassertechnischer Anlagen durchführen zu können; dies gilt insbesondere auch für toxische und refraktäre Stoffe sowie Spurenstoffe. Die Realisierung derartiger Systeme erfordert neben robusten und langzeitstabilen Methoden zyklisch arbeitende und automatisierte Techniken, die auftretende Störungen erkennen und Gegenmaßnahmen zur Behebung einleiten. Um ein effektives Überwachen zu gewährleisten, sind Prozessanalysatoren notwendig, die Multikomponenten-Gemische in einem Arbeitsgang analysieren. Darüber hinaus werden zukünftig verstärkt chromatographische Analyseverfahren zum Einsatz kommen. Dazu sind Kenntnisse zum Trennsäulenzustand sowie zur Fehlerfrüherkennung nachlassender Trennsäuleneigenschaften zu entwickeln.

Die Trendberichte werden von internationalen Fachjournalisten zusammengestellt.

Heftausgabe: Juni 2012

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