Che­misch-phy­si­ka­li­sche Metho­den der Abwas­ser­rei­ni­gung 

Die Fäl­lung ist ein che­mi­sches Ver­fah­ren, mit dem die Abschei­dung eines zuvor gelös­ten Stof­fes aus einer Lösung erreicht wird. Eine übli­che Metho­de dazu ist die Fäl­lungs­re­ak­ti­on durch die Zuga­be von geeig­ne­ten Sub­stan­zen. So las­sen sich Schwer­me­tal­le durch Über­füh­rung in schwer­lös­li­che Metall-Hydr­o­xi­de aus­fäl­len. Mit­un­ter kann auch eine Aus­fäl­lung als Kar­bo­nat oder als Sul­fid erfor­der­lich sein.

Anio­nen las­sen sich oft­mals als Calcium‑, Eisen- oder Alu­mi­ni­um­salz aus­fäl­len. So erfolgt die Abtren­nung von Fluo­rid-Ionen durch eine Fäl­lungs­re­ak­ti­on mit Kalk­milch. Im Zuge der Abwas­ser­be­hand­lung im Klär­werk wird die Phos­phat-Kon­zen­tra­ti­on durch die Zuga­be von Sal­zen wie Eisen(II)-sulfat, Eisen­chlo­rid oder Alu­mi­ni­um­chlo­rid gesenkt. Die­se soge­nann­te Phos­phat­fäl­lung kann ent­we­der als Simultan­fäl­lung in die bio­lo­gi­sche Klär­stu­fe inte­griert oder aber als sepa­ra­te Pro­zess­stu­fe nach­ge­schal­tet werden.

Ionen­aus­tau­scher sind Mate­ria­li­en, mit denen Ionen in einer Lösung durch ande­re Ionen ersetzt wer­den kön­nen. So wer­den bei­spiels­wei­se mit einem Kat­io­nen-Aus­tau­scher Cal­ci­um-Ionen gegen Natri­um-Ionen aus­ge­tauscht. Wenn die­ser Ionen­aus­tau­scher erschöpft ist, also mit Cal­ci­um-Ionen voll­stän­dig abge­sät­tigt, dann muss er rege­ne­riert wer­den. Die­ses Ver­fah­ren funk­tio­niert des­halb, weil Ionen umso stär­ker an den Ionen­aus­tau­scher gebun­den wer­den, je höher ihre Ladung und, bei glei­cher Ladung, je grö­ßer ihr Ionen­ra­di­us ist. Das stär­ker bin­den­de Ion ver­drängt dabei das schwä­cher bindende.

Ionen­aus­tau­scher eig­nen sich zur geziel­ten Ent­fer­nung von Schwer­me­tal­len und Anio­nen. Sie wer­den daher gern als „Poli­zei­fil­ter“ nach Fällung/Flockung ein­ge­setzt. Ver­wen­det wer­den sie außer­dem zur Ent­här­tung, Umsal­zung und Ent­sal­zung von Was­ser. Beson­ders wich­tig ist das in der Halb­lei­ter­indus­trie, wo sie zur Erzeu­gung von extrem sau­be­rem demi­ne­ra­li­sier­tem Was­ser genutzt wer­den, dem soge­nann­ten Reinst­was­ser. Auch bei der Behand­lung von Abwäs­sern aus gal­va­ni­schen Beschich­tungs­an­la­gen, die Metall-Ionen ent­hal­ten, oder zur Rei­ni­gung von phe­nol­hal­ti­gen Abwäs­sern aus der Che­mie-Indus­trie wer­den Ionen­aus­tau­scher ein­ge­setzt. Sowohl die Metall-Ionen als auch die Phe­no­le kön­nen dabei zurück­ge­won­nen werden.

Als Adsorp­ti­on wird die Anrei­che­rung von Sub­stan­zen an der Ober­flä­che eines Fest­kör­pers bezeich­net. Dabei han­delt es sich typi­scher­wei­se um einen phy­si­ka­li­schen Pro­zess, bei dem Mole­kü­le durch van-der-Waals-Kräf­te an der Grenz­flä­che haf­ten blei­ben. Wer­den Stof­fe durch che­mi­sche Bin­dun­gen an die Ober­flä­che eines Fest­stof­fes gebun­den, wird dies als Chemisorp­ti­on bezeich­net. Im Unter­schied zur Adsorp­ti­on ist die Chemisorp­ti­on oft­mals nicht reversibel.

In der Abwas­ser­rei­ni­gung wer­den Aktiv­koh­len ein­ge­setzt, um gelös­te Was­ser­in­halts­stof­fe auf­zu­fan­gen, die mit preis­güns­ti­ge­ren Ver­fah­ren, wie den Metho­den der bio­lo­gi­schen Abwas­ser­be­hand­lung, Fäl­lung und Flo­ckung, nicht hin­rei­chend besei­tigt wer­den konn­ten. So las­sen sich Farb­stof­fe von Tex­til­fär­be­rei­en aus dem Abwas­ser häu­fig nur durch Adsorp­ti­on an Aktiv­koh­le voll­stän­dig ent­fer­nen. Auch anthro­po­ge­ne Spu­ren­stof­fe, wie Arz­nei­mit­tel­rück­stän­de, und pola­re orga­ni­sche Sub­stan­zen, wie adsor­bier­ba­re orga­nisch gebun­de­ne Halo­ge­ne AOX, bin­den an die Aktivkohle.

Dotier­te Aktiv­koh­le kann zudem zur Ent­fer­nung von Arsen und Schwer­me­tal­len genutzt wer­den. Auch Eisen­hy­dr­o­xid-Gra­nu­lat eig­net sich bes­tens zur Ent­fer­nung des gif­ti­gen Halb­me­talls Arsen aus Trink­was­ser, kon­ta­mi­nier­ten Grund­wäs­sern und belas­te­ten Indus­trie­ab­wäs­sern. Das Eisen­hy­dr­o­xid reagiert dabei letzt­end­lich mit den Arse­nat-Ionen zu Eisen­ar­se­nat. Die­ses Ver­fah­ren ist sowohl sehr effi­zi­ent als auch kostengünstig.

Redox­re­ak­tio­nen wer­den in der che­mi­schen Abwas­ser­be­hand­lung sowie in der Trink­was­ser­auf­be­rei­tung viel­fäl­tig ein­ge­setzt. So wird die radi­ka­li­sche Oxi­da­ti­on mit Ozon und Was­ser­stoff­per­oxid zur effi­zi­en­ten Ent­fer­nung von chlo­rier­ten Koh­len­was­ser­stof­fen und Pes­ti­zi­den aus dem Trink­was­ser genutzt.

Auch in der Abwas­ser­auf­be­rei­tung wer­den Oxi­da­ti­ons­ver­fah­ren zur Ent­fer­nung von bio­lo­gisch schwer abbau­ba­ren Ver­bin­dun­gen ein­ge­setzt. Beson­ders wirk­sam ist die pho­to­che­mi­sche Rei­ni­gung, bei der Hydro­xyl­ra­di­ka­le aus Was­ser­stoff­per­oxid oder aus Ozon in Anwe­sen­heit von Was­ser durch UV-Licht erzeugt wer­den. Die­se soge­nann­ten Advan­ced Oxi­da­ti­on Pro­ces­ses (AOP) wer­den unter ande­rem auch zur Zer­stö­rung von Arz­nei­mit­tel­wirk­stof­fen wie Anti­bio­ti­ka, Zyto­sta­ti­ka oder Hor­mo­nen und wei­te­ren anthro­po­ge­nen Spu­ren­stof­fen verwendet.

Mit Hil­fe von Ozon erfolgt zudem die Oxi­da­ti­on von Eisen und Man­gan in Brun­nen­was­ser. Reduk­ti­ons­ver­fah­ren hin­ge­gen sind für die Umwand­lung von Schwer­me­tall-Ionen bei­spiels­wei­se in schwer­lös­li­che Sul­fi­de erforderlich.

Mit der Mem­bran­fil­tra­ti­on kön­nen gelös­te und unge­lös­te Stof­fe aus dem Abwas­ser abge­trennt und auf­kon­zen­triert wer­den. Dabei erfolgt die Auf­tren­nung unter Druck; die Mem­bran hält mit einer bestimm­ten Poren­grö­ße Par­ti­kel bzw. Mole­kü­le ab einer gewis­sen Grö­ße zurück. Ein­ge­setzt wer­den die unter­schied­li­chen Ver­fah­ren zur Was­ser­auf­be­rei­tung, zur Abwas­ser­rei­ni­gung, zum Pro­zess­was­ser­re­cy­cling sowie für die Auf­kon­zen­trie­rung von Wert­stof­fen zur Rückgewinnung.

Die Mikro­fil­tra­ti­on wird zur Abtren­nung von Par­ti­keln, Bak­te­ri­en und Hefen ein­ge­setzt. Sie wird daher unter ande­rem zur kal­ten Ste­ri­li­sa­ti­on und zur Tren­nung von Öl-Was­ser-Emul­sio­nen genutzt.

Die Nano­fil­tra­ti­on kann Viren, Schwer­me­tall-Ionen, gro­ße Mole­kü­le und sehr klei­ne Par­ti­kel zurück­hal­ten. Ein­ge­setzt wird das Ver­fah­ren zur Was­ser­ent­här­tung und in der Trinkwasseraufbereitung.

Die Ultra­fil­tra­ti­on ist ein wich­ti­ges Ver­fah­ren für die Trink­was­ser- und Abwas­ser­auf­be­rei­tung. Sie dient dazu, Par­ti­kel, Mikro­or­ga­nis­men, Pro­te­ine und Trüb­stof­fe aus dem Was­ser abzu­tren­nen, unter ande­rem im Mem­bran­be­le­bungs­re­ak­tor (MBR). Die Ultra­fil­tra­ti­on wird bei­spiels­wei­se zur Rei­ni­gung des Kreis­lauf­was­sers in Schwimm­bä­dern ver­wen­det. Da sich die Bil­dung von ver­stop­fen­den Belä­gen auf der Mem­bran mitt­ler­wei­le ver­mei­den lässt, wer­den auch bereits bestehen­de Anla­gen zur Abwas­ser­be­hand­lung zuneh­mend um eine Ultra­fil­tra­ti­on als soge­nann­ter Poli­shing-Step ergänzt. Bei der Nach­rüs­tung von älte­ren, klas­si­schen Klär­an­la­gen kann die Ultra­fil­tra­ti­on direkt im oder nach dem Bele­bungs­be­cken ein­ge­setzt wer­den, um nach­ge­schal­te­te Behand­lungs­schrit­te zu erset­zen, oder um die Rei­ni­gungs­leis­tung der bio­lo­gi­schen Abwas­ser­be­hand­lung zu erhöhen.

Die Umkehr­os­mo­se ist ein wich­ti­ger Ver­fah­rens­schritt bei­spiels­wei­se bei der Auf­kon­zen­trie­rung von Depo­nie­ab­wäs­sern, bei der Trink­was­ser­auf­be­rei­tung in länd­li­chen Regio­nen, die nicht an das Lei­tungs­netz ange­schlos­sen sind, bei der Meer­was­ser­ent­sal­zung oder bei der Ent­kal­kung von Boi­ler­was­ser in Kraft­wer­ken. Dabei wird durch eine semi­per­meable Mem­bran hin­durch die Kon­zen­tra­ti­on von in Flüs­sig­kei­ten gelös­ten Sub­stan­zen erhöht, indem mit­hil­fe von Druck der Pro­zess der Osmo­se umge­kehrt wird: Ist der Druck höher als der jewei­li­ge osmo­ti­sche Druck, dif­fun­die­ren die Mole­kü­le des Lösungs­mit­tels auf die Sei­te der Mem­bran, auf der gelös­te Stof­fe bereits weni­ger kon­zen­triert vor­lie­gen. Die­ses Ver­fah­ren wird auch zur Gewin­nung von Reinst­was­ser eingesetzt.

Die Neu­tra­li­sa­ti­on wird in der Abwas­ser­tech­nik zur Ein­stel­lung des pH-Werts ver­wen­det. Ins­be­son­de­re nach Pro­zes­sen wie Fäl­lung und Flo­ckung sowie zur Neu­tra­li­sa­ti­on indus­tri­el­ler Abwäs­ser wer­den dabei nach Bedarf Säu­ren oder Basen zugegeben.