Chemisch-physikalische Methoden der Abwasserreinigung
Chemisch-physikalische Verfahren zur Abwasserreinigung spielen eine entscheidende Rolle bei Schutz der kostbaren Ressource Wasser und zeichnen sich durch ihre Zuverlässigkeit, hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit aus.
Als Experten für Wasserbehandlung haben wir für unsere Kunden unter anderem aus der Halbleiter-, Solar-, Batterie- Lebensmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie maßgeschneiderte Lösungen für die Abwasserbehandlung entwickelt.
Unser breitgefächertes Verfahrensportfolio zielt darauf ab, die spezifischen Herausforderungen dieser Industrien zu lösen. Die Komplexität der Abwasserzusammensetzung erfordert oft eine mehrstufige Behandlung, bei der verschiedene chemisch-physikalische Verfahren kombiniert werden. Durch die geschickte Verknüpfung dieser Technologien lassen sich kostengünstige und hocheffiziente Lösungen für die Aufbereitung verschiedenster Abwasserarten realisieren.
Ihre Vorteile beim Einsatz chemisch-physikalischer Behandlungsmethoden auf einen Blick:
- Effiziente Schadstoffentfernung: Hohe Effizienz bei der Entfernung von Schwermetallen, Silizium, Aluminium, Fluoriden, Arsen sowie suspendierten Feststoffen (Partikel).
- Flexibilität: Systemkonfiguration & modulares Design der Anlage angepasst an Ihren Bedarf. Design für Batch-Prozess oder kontinuierlichen Prozess möglich.
- Qualität: Innovative Lösungen, die den höchsten umwelttechnologischen Standards und Qualitätsanforderungen entsprechen, machen uns zu Ihrem zuverlässigen Partner.
- Nachhaltigkeit: Verringerung der Umweltbelastung und Schonung von Ressourcen durch Wasserrecycling, Ressourcenrückgewinnung und Wärmerückgewinnung.
- Kosteneffizienz: Optimierte Prozesse für geringeren Chemikalienverbrauch und niedrigere Investitions- und Betriebskosten.
Unser ganzheitlicher Ansatz beinhaltet sämtliche Projektphasen von der Planung über die Beschaffung und den Bau bis hin zur Bauüberwachung und Inbetriebnahme. Dabei setzen wir auf eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln.
Übersicht über eine Auswahl der wichtigsten chemisch-physikalischen Methoden
Flockung
Die Flockung schafft die Voraussetzungen dafür, dass auch feinste Partikel aus dem Wasser entfernt werden können, die in Suspension oder in Form von kolloidalen Lösungen vorliegen. Bei gleichen Oberflächenladungen beispielsweise können sich diese kleinsten Feststoffteilchen wegen der gegenseitigen elektrischen Abstoßung nicht zu größeren Agglomeraten zusammenfinden.
Mit Hilfe geeigneter Chemikalien, den sogenannten Flockungsmitteln und Flockungshilfsmitteln, kann die Zusammenballung solcher Partikel erreicht werden. Dabei entstehen Makroflocken, die sedimentieren. Die Flockung wird zur Verbesserung der Absetzeigenschaften sowie Entwässerung von Klärschlämmen angewendet. Beim Einsatz von Eisen- und Aluminiumsalzen als Flockungsmittel kann zugleich eine Phosphat-Ausfällung erfolgen.
Fällung
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.
Abwasserbehandlung durch Flotation
Bei der Flotation werden dispergierte oder suspendierte Stoffe aus Flüssigkeiten mit Hilfe kleiner Gasbläschen an die Oberfläche transportiert und dort mit einer Räumervorrichtung entfernt. Eingesetzt werden Flotationsverfahren in der Abwasserbehandlung zur Abtrennung von Ölen, Fetten und fein suspendierten Feststoffen, wie Schwebstoffen.
Die Anlagerung der Partikel oder Tröpfchen funktioniert dabei umso besser, je kleiner die Mikrobläschen sind. Aus diesem Grunde wird in der Abwassertechnik häufig die Druckentspannungsflotation (Dissolved Air Flotation – DAF) verwendet. Sie hat sich aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit und Effizienz bewährt. Flotationsvorgänge können zudem durch den Einsatz von Hilfsstoffen wie Sammler, Schäumer, Regler oder Drücker unterstützt werden.
Ionenaustauscher
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.
Adsorption und Chemisorption
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.
Oxidation/Reduktion
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.
Abwasserreinigung mit Membrantechnik
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.
Neutralisation
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.
Anwendungsfall: Innovative chemisch-physikalische Wasserbehandlung für die Halbleiterindustrie
DAS Environmental Experts hat ein hochmodernes Abwasserbehandlungssystem für einen Kunden aus der Halbleiterindustrie umgesetzt. Die moderne Halbleiterfertigung erfordert eine effektive und zuverlässige Abwasserbehandlung. Ein besonderer Fokus lag auf der detaillierten Vorabplanung, die eine sorgfältige Entfernung der Verunreinigungen, eine optimierte Ressourceneffizienz und die Einhaltung von Umweltvorschriften sowie eine schnelle Reaktion auf lokale Gegebenheiten gewährleistet.
Das Projekt umfasst drei chemisch-physikalische Behandlungslinien:
- Fluoridbehandlung
- CMP-Abwasserbehandlung: Entfernung von Feststoffen (Silizium und Aluminium)
- Neutralisation (Einstellung des pH-Wertes)
Fließbild der drei Behandlungslinien
Unsere speziell entwickelte chemisch-physikalische Wasseraufbereitungsanlage kombiniert modernste Technologien zur effektiven Behandlung von Prozessabwässern:
- Flockung und Fällung
- Feststoffabtrennung
- Chemische Behandlung / Neutralisation
Technische Spezifikationen
- Garantierte Ablaufwerte:
- Fluoridkonzentration ≤ 10 mg/L
- Suspendierte Feststoffe (TSS) ≤ 300 mg/L
- pH-Wert = 6 bis 11
- Kontinuierlicher Betrieb für maximale Produktivität
- Vollautomatisierter Betrieb mit minimalem Personaleinsatz
- Kompakte Bauweise zur optimalen Raumnutzung