Abwasserbehandlung

• Aerob

• Anaerob

Aktivkohle

Aufschwämmen

Diffusionsdialyse

Fällung

Filtration

• Mikrofiltration

• Nanofiltration

• Ultrafiltration

Flotation

Ionenaustauscher

Koagulation/ Flockung

Membranfiltrationstechniken

• Elektrodialyse

• Membranbioreaktoren

• Membranelektrolyse

• Pertraction

Oxidationsprozesse

• Enteisenung

• Entmanganung

UV- Desinfektion

Umkehrosmose/ Hyperfiltration

Sandfilter

• langsam

• schnell

Sedimentation

Aktivkohle

Aktivkohle ist das am häufigsten verwendete Absorptionsmittel. Aktivkohle adsorbiert organische Substanzen aus Wasser und Luft und kann daher mit organischen Bestandteilen verunreinigtes Wasser oder kontaminierte Luft reinigen. Es enfernt Farb-, Geruch-, und Geschmackstoffe. Aktivkohle ist ein hochporöses, korn- oder pulverförmiges Material und der größte Teil seiner Adsorptionsfläche befindet sich innerhalb der Mikroporen. Die Aktivkohle wird durch Verkohlung von Holz, Torf, Braunkohle u. a. hergestellt.  Die Porengröße kann durch Änderungen der Produktionsparameter (Temperatur, Zeit etc.) für  verschiedenste Anwendungsfälle maßgeschneidert werden. Da die Aktivkohle unpolar ist, werden unpolare Stoffe besonders gut adsorbiert.

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Aufschwämmen

Im allgemeinen können fein verteilte Schmutzpartikel nur aufschwimmen, wenn ihre Dichte kleiner ist als die Dichte des sie umgebenden Mediums. In der Abwassertechnik werden aber auch Partikel mit einer höheren Dichte aufgeschäumt, durch die künstliche Erhöhung ihres Auftriebs mit feinen Gasbläschen.

Aerobe Abwasserbehandlung

Bei der aeroben Abwasserreinigung werden Verunreinigungen durch Mikroorganismen unter Verbrauch von Luftsauerstoff abgebaut. Das im Abwasser enthaltene biologisch abbaubare Material wird zu CO₂, H₂O, NO₃^- und H⁺ umgewandelt. Es besteht auch die Möglichkeit eine Nitrifikationsstufe (Abbau von NO₃^-) in das Verfahren zu integrieren. Die Aufgabe eines biologischen Abwasserreinigungsverfahrens besteht also darin, den natürlichen Selbstreinigungsprozess in ein technisches Verfahren umzusetzen, mit deren Hilfe alle sauerstoffzehrenden Stoffe aus dem Abwasser beseitigt werden können. Die weltweit am häufigsten zur aeroben biologischen Abwasserreinigung eingesetze Verfahren sind das Belebungsverfahren und das Tropfkörperverfahren.

Anaerobe Abwasserbehandlung

Die anaerobe Abwasserbehandlung wird vor allem bei stark verschmutztem Industrieabwasser angewendet. Die anaerobe Behandlung läuft unter sauerstofffreien Bedingungen ab. Im Gegensatz zum anaeroben Verfahren, enthält das Wasser wenig Schlamm und es entsteht Methangas, durch das das Wasser erwärmt wird. Bei der anaeroben Abwasserbehandlung unterscheidet man vier biochemische Teilprozesse:

• Hydrolyse
• Fermentation
• Acetogenese
• Methanogenese

Hydrolyse

In der Hydrolyse-Phase müssen die hochmolekularen, oft ungelösten Substanzen durch Exo-Enzyme zu gelösten Bruchstücken abgebaut werden (Polysaccharide – Monosaccharide)

Fermentation

In der Fermentations-Phase werden von fakultativ und obligat anaeroben Bakterien kurzkettige organische Säuren, Alkohole, H₂ und CO₂ gebildet, wobei die Methanbakterien jedoch nur Essigsäure, H₂ und CO₂ direkt zu Methan umsetzen können.

Acetogenese

Biochemische Umwandlung von organischen Säuren und Alkohol zu Essigsäure, H₂ und CO₂.

Methanogenese

In der Methanogenese-Phase werden die Acetogeneseprodukte zu Biogas umgewandelt. Dabei werden zwei Methanogenesearten unterschieden:

• Acetatdecarboxylierung 
• Wasserstoffverbrauchende Methanbildung

Die Methanbakterien sind für den letzten Schritt des anaeroben Abbaus verantwortlich und daher von entscheidender Bedeutung für den gesamten Prozess.

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Desinfektion

Hierbei wird Wasser mit Hilfe von Oxidationsmitteln ( Chlor, Ozon, Chlordioxid oder Wasserstoffperoxid) desinfiziert. Diese Verfahren wird angewendet bei:

• Entfernung von Geruchs- und Geschmacksstoffen
• Verhindern von Algenwachstum
• Einhalten der Wasserqualität im Wasserverteilungsnetz

Diffusionsdialyse

Die Diffusionsdialyse ist eine neue Methode, um bei gleichzeitiger Abtrennung von gelösten Metallsalzen, freie Säuren für den Produktionsprozess zurückzugewinnen. Bei diesem Verfahren werden Säure und Wasser im Gegenstrom entlang einer Anionenaustauschermembran geführt und durch den osmotischen Druck diffundieren die Säureanionen über die Membran in die Wasserphase, während die Säurekationen zurückgehalten werden. Beispielsweise lassen sich so Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure und Flußsäure zu 80 bis 95% zurückgewinnen.

Entfärbung

Huminsäuren werden aus dem Wasser entfernt. Wasser kann jedoch auch nach der Behandlung eine Färbung aufweisen. Und zwar durch:

• Eisen
• Organische Metallkomplexe
• Andere organische Stoffe

Farbige Verbindungen können durch Kaliumpermanganat, Chlor, Ozon und neuartige Oxidationsprozesse oder mittels chemischer Koagulation, Adsorption und Umkehrosmose vom Wasser getrennt werden.

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Fällung

Bei der Fällung werden im Wasser gelöste Stoffe durch Fällungsmittel in einen ganz oder teilweise unlöslichen Zustand überführt. Das entstandene Fällungsprodukt wird dann durch Sedimentation, Filtration oder Flotation aus dem Wasser entfernt. Die Fällung wird zur Abtrennung von Metallionen, Sulfiden und Phosphaten und zur Enthärtung angewendet. Eisen- und Aluminiumsalze gehören zu den gängigen Fällungsmitteln.

Filtration

Mikrofiltration

Bei der Mikrofiltration werden größere ungelöste Partikel (10 µm – 0,1 µm) aus dem Wasser entfernt. Hierunter fallen Bakterien, Sporen, Hefen und Kolloide. Kleinere Partikel wie Salze und Zucker, oder auch Makromoleküle wie Eiweiß oder Fette, werden von der Membran nicht zurückgehalten. Bei der normalen Cross-Flow Filtration wird die zu reinigende Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit über die Membran geleitet. Die dadurch entstehende turbulente Strömung entfernt Ablagerungen auf der Membran und hält die Filterfläche frei. Es ist allerdings ein hoher Energiebedarf notwendig, um diese Turbulenzen zu erreichen. Bei der Cross-Flow Filtration im Dead-End Betrieb wird die zu reinigende Flüssigkeit in einem kostanten Permeatfluss gefahren. Der benötigte Energiebedarf ist beim Dead-End Verfahren um ein vielfaches geringer. Dieses Verfahren wird bei Abwasser mit geringer Trübstoffkonzentration angewendet.

Ultrafiltration

Bei der Ultrafiltration werden Partikel mit einer Größe von 0,1 µm- 0,01 µm aus dem Wasser entfernt. Hierunter fallen Mikroorganismen, Bakterien, Viren, Hefen Polysaccharide, Proteine und Fette. Die Ultrafiltration läuft bei einem Arbeitsdruck von 3 bar ab. Je nach Anwendungsgebiet, kann sowohl das Permeat als auch das Konzentrat wieder- oder weiterverarbeitet werden. Spaltung von Ölemulsionen, Aufbereitung von Waschwässern, Spaltung von Emulsionen in der Lebensmittelindustrie und Deponiesickerwasserbehandlung sind typische Anwendungsbereiche der Ultrafiltration.

Nanofiltration

Bei der Nanofiltration werden Wasserinhaltsstoffe mit einer Größe von 0,01 µm - 0,001 µm von der Membran zurückgehalten. Bei diesem Verfahren können auch echt gelöste organische und anorganische Substanzen aus dem Wasser entfernt werden. Bei der Nanofiltration werden Arbeitsdrücke von ca. 20 bar verwendet, wodurch weniger Energie verbraucht wird, als bei einer Umkehrosmoseanlage, die Arbeitsdrücke bis 100 bar verwendet. Die Nanofiltration wird bei der Enthärtung und Entsalzung von Wasser angewandt.

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Flotation

Unter Flotation versteht man einen mechanischen Trennprozess, bei dem dispergierte Partikel durch Aufschäumen oder Aufschwimmen aus dem Abwasser entfernt werden. Dazu werden feinste Luftblasen ins Wasser eingebracht, die sich an den Oberflächen der Schmutzstoffe anlagern und dadurch deren Dichte reduzieren, bzw. ihren Auftrieb erhöhen. Die aufsteigenden Gasbläschen bilden eine feste Schaumschicht (Flotat), die von der Wasseroberfläche abgezogen werden kann. Dieses Wasserreinigungsverfahren wird bei der Vorklärung von Abwasser angewendet und kann bei der Entfernung von leichten Feststoffen vorteilhaft sein.

Ionenaustauscher

Ionenaustauscher werden vor allem zur Enthärtung, Entsalzung und Entkarbonatisierung von Wasser angewendet. Ionenaustauscher können positive oder negative Ionen aufnehmen und dafür eine entsprechende Menge anderer Ionen abgeben. Je nach Ladung der ausgetauschten Ionen unterscheidet man zwischen Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. Die Austauschermaterialien basieren heutzutage auf Polystyrol- oder Acrylharz. Diese Austauscherharze können regeneriert werden, indem man einen Kationenaustauscher mit einer starken Säure (z.B. HCL) und einen Anionenaustauscher mit einer starken Lauge (z.B. NaOH) durchspült.

Koagulation/Flockung                                                                    

Ein Großteil der dispergierten Partikel ist so klein, dass er nicht durch Sedimentation, Filtration oder Flotation aus dem Wasser entfernt werden kann. Im industriell genutztem Wasser sind dies vor allem metallische Substanzen, wie z.B. Eisen- oder Manganverbindungen. Oberflächenwasser enthält dagegen Schlammteilchen, Algen oder andere Mikroorganismen. Die meisten dieser Kolloide besitzen die gleiche elektrische Ladung und stoßen sich gegenseitig ab. Durch das Hinzufügen eines Koagulationsmittels werden die Partikel entstabilisiert, d.h. dass die elektrostatische Anziehungskraft der Teilchen reduziert wird. Nach der Entstabilisierung erfolgt unter Zugabe eines Flockungsmittels (z.B. Eisenchlorid, Aluminiumsulfat) die Flockenbildung der Kolloide. 

Die so entstandenen abtrennbaren Aggregate können durch ein nachgeschaltetes Trennverfahren aus dem Wasser entfernt werden. Um so größer die Flocken, desto leichter bzw. effizienter ist das Verfahren der Abscheidung.

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Spezielle Membranfiltrationstechniken

Membranelektrolyse

Hierbei besteht die Elektrolysezelle aus einem Anoden- und einem Kathodenkomponenten. Diese beiden Komponenten werden durch eine Kationenaustauschermembran getrennt. Die Membran sorgt dafür, dass es nicht zu einer unerwünschten Anodenreaktion kommt. Die Trennung erfolgt durch Ionenwanderung in einem elektrischen Feld, die ihrer Ladung entspricht.

Elektrodialyse

Bei der Elektrodialyse werden die physikalischen Vorgänge der Dialyse und der Elektrolyse zusammen angewendet. Durch die Elektrodialyse lassen sich Kationen und Anionen voneinander trennen, weshalb dieses Verfahren zum Recyceln in der metallverarbeitenden Industrie angewandt wird. Durch ein elektrisches Spannungsfeld werden Ionen transportiert. Zwischen Anode und Kathode sind abwechselnd Anionenaustauscher- und Kationenaustauschermembrane angebracht. Unter dem Einfluss der anliegenden Spannung, wandern die Kationen in Richtung Kathode und die Anionen in Richtung Anode, bis sie von einer entsprechenden Membran zurückgehalten werden.
Das Wasser kann durch Aktivkohlefiltration oder Flockung vorbehandelt werden. Dadurch werden größere Stoffe abgeschieden und die Membran geschützt.

Pertraction

Pertraction ist eine Flüssig-Flüssig Extraktionstechnologie, bei der eine Membran die beiden Extraktionsflüssigkeiten voneinander trennt. Der Vorteil dieser Methode ist deren hohe effizienz aufgrund des besonders günstigen Oberflächen/Volumen-Verhältnisses. Dieses Verfahren wird angewendet, um Emulsionen zu spalten.

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Pervaporation

Pervaporation ist ebenfalls eine Extraktionstechnologie, bei der eine Membrane eingesetzt wird. In diesem Fall befindet sich die Lösung auf der einen Seite der Membran und Luft/Vakuum auf der anderen Seite. Der Trenn vorgang erfolgt durch die Semipermeabilität der Membrane.  Diese Technik wird zur Lösungsmittelwiedergewinnung, Trennung von zwei Lösungen (als Alternative zur Destillation) und um ein chemisches Gleichgewicht bei einer Reaktion durch Entfernung eines der Reaktionspartner einzustellen, verwendet. Anwendungsgebiete sind die Entfernung von Wasser aus Methanol/Ethanol, Veresterung von Säuren und Alkohol, und Lösungsmittelwiedergewinnung.

Membranbioreaktor (MBR)

In den letzten Jahren haben Membranbioreaktoren (MBR) in der Abwasserbehandlung eine immer größere Rolle gespielt. Bei diesem System handelt es sich um eine Kombination aus Bioreaktor und Membrantechnologie. Die Membran kann entweder im Bioreaktor (Sub-Merged) oder außen am Reaktor installiert werden (Side-Stream). Bei dem Side-stream Installation unterscheidet man wieder zwischen Cross-Flow oder sub-merged Systemen.

Sub-Merged
Die Membran wird in den Bioreaktor, in dem sich die Biomasse befindet, eingetaucht. Durch den statischen Druck der Flüssigkeit, wird die Biomasse gegen die Membran gedrückt, wodurch man die Fließgeschwindigkeit mittels Unterdruck auf der Permeatseite erhöhen kann. Durch eine Belüftungseinrichtung unter der Membran, kann verhindert werden, dass sich eine zu starke Deckschicht auf ihr ablagert

Side-Stream
Das Abwasser wird mit Hilfe einer Pumpe durch das Filtrationsmodul gepumpt. Durch zu starkes Pumpen kann die Membran allerdings schnell verstopfen.

Cross-Flow
Beim Cross-Flow Verfahren wird das Belebtschlamm/Abwasser-Gemisch unter leichtem Überdruck durch die Filtermodule hindurchgepumpt. Das gereinigte Abwasser tritt durch die Membran und der konzentrierte Belebtschlamm wird ins Belebungsbecken zurückgeleitet.

Ein Vorteil der Membrantechnik und der Mikro- und Ultrafiltration ist, dass sie im Vergleich zu einem Absetzbecken viel weniger Platz einnehmen. Außerdem wird gelöstes und kolloides Material besser vom Wasser getrennt.

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Oxidationsprozesse

Unter Oxidation versteht man den Entzug von Elektronen aus den Atomen eines Elements. Oxidationsmittel sind zum Beispiel Chlor, Ozon oder Chlordioxid. Die Oxidation kann unterteilt werden in Desinfektion, Enteisenung und Entmanganung. Oxidationsverfahren sind in der Regel teurer als Aktivkohle- oder Membranfiltration. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer unvollständigen Oxidation der Wasserinhaltsstoffe giftige Nebenprodukte entstehen können.

Enteisenung

Enteisenung ist eine Wasseraufbereitungstechnik zur Entfernung von Eisen (Fe²⁺) und Mangan (Mn²⁺) aus Trink- und Brauchwasser durch intensive Belüftung oder oxidierende Chemikalien. Zur Belüftung kann kompremierte Umgebungsluft verwendet werden. Danach kann das oxidierte Eisen und Mangan durch Flockung, Sedimentation oder Filtration vom Wasser getrennt werden.

Entmanganung

Mangan (II) wird gebildet, durch den Kontakt von basischem oder neutralem Wasser mit manganhaltigen Mineralien. Mangan (II) wird durch Sauerstoff zu Braunstein oxidiert. Diese Reaktion verläuft allerdings sehr langsam ab, weshalb des öfteren das starke Oxidationsmittel Kaliumpermanganat zugegeben wird.

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UV Desinfektion

UV verändert weder Geschmack, Geruch, Farbe noch pH-Wert des behandelten Wassers. Die Zugabe von Chemikalien ist unnötig und es entstehen keine giftigen Desinfektionsnebenprodukte. Das UV-Licht wird durch Quecksilberdampflampen künstlich erzeugt. Das Edelgas, mit dem die Lampe gefüllt ist, ermöglicht die Primärentladung und den notwendigen Prozess, um die winzigen Quecksilberablagerungen in der Lampe anzuregen und somit auf ein höheres Energieniveau zu bringen. Beim zurückkehren zu ihrem Ausgangsenergieniveau senden diese Atome UV-Strahlung aus. Das zu behandelnde Wasser wird nun dieser UV-Strahlung ausgesetzt um die in ihm enthaltenen Mikroorganismen abzutöten. Dabei ist wichtig, dass das Wasser relativ klar ist, damit sich die Mikroorganismen nicht im Schatten von Schwebstoffen "verstecken" können.

Umkehrosmose/ Hyperfiltration

Die Umkehrosmose ist ein Verfahren, das zur Entsalzung von Meer- oder Grundwasser verwendet wird. Die zu reinigende Flüssigkeit wird mit sehr hohem Druck durch eine semipermeable Memran gepreßt, um so Wasserinhaltsstoffe mit einer Größe von 5x10^-7 bis 10^-6 µm abzuscheiden. 

Wird Wasser mit einer hohen Salzkonzentration (P) von Wasser mit einer niedrigen Salzkonzentration (V) durch eine semipermeable Membran getrennt, so wandern Wassermoleküle von der geringen Salzkonzentration zur höheren. Dadurch steigt der Wasserpegel in einem Steigrohr bis zum Punkt B, an dem ein Gleichgewicht entsteht. In diesem Rohr herrscht nun osmotischer Druck. Wird nun das Wasser mit der höheren Salzkonzentration unter Druck gesetzt, der höher als der osmotische Druck ist, strömt das Wasser im Gegensatz zum gelösten Salz durch die Membran. Diese Technik nennt sich Umkehrosmose oder Reversosmose.  

Es gibt 3 unterschiedliche Membranemodule:

1.  Membranen in Plattenform, bei denen je ein Paar Membranen, durch einen Abstandhalter getrennt, mit der Trennschicht zueinander gestapelt wird.

2.  Membranen als Wickelmodul (Spirale), die mit der Stützschicht gegeneinander, getrennt durch einen Abstandshalter, auf ein mit Bohrungen versehenes Rohr gewickelt werden.

3.  Membranen als Hohlfasermodul, die dafür bündelweise mit den Enden in ein Kunstharz eingebettet werden.

Vorteile der Umkehrosmose

• Sehr niedrige Betriebskosten
• Es entstehen weniger thermische Verunreinigungen

Nachteile der Umkehrosmose

• Die Umkehrosmose verbraucht viel Wasser
• Hohe Installationskosten

Um Wasser durch eine Umkehrosmoseanlage zu säubern, muss das Wasser durch ein anderes Filtrationsverfahren vorbehandelt werden, um Biofouling zu vermeiden.

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Langsame Sandfilter

Bei diesem Filter wird die Fähig des Wassers zur Selbstreinigung genutzt. Das Wasser rieselt hierbei sehr langsam, d.h. mit einer Geschwindigkeit von maximal 16m/Tag durch das Filtermaterial (z.B. Seesand). Auf den Sandkörnern siedeln sich Bakterien an, die die biologisch abbaubaren Substanzen aus dem Wasser entfernen. Langsame Sandfilter werden zur Feinstreinigung angewendet. 

Schnelle Sandfilter

Schnellfilter dienen zur mechanischen Grobreinigung des Wassers. Es sind große, mit Quarzsand und Bimsstein gefüllte Becken, die wie ein feines Sieb funktionieren. Alle Schmutzpartikel mit einer bestimmten Mindestgröße, welche wiederum durch die Körnung des Sandes bestimmt wird, werden im Filtermaterial zurückgehalten.

Sedimentation

Unter Sedimentation versteht man das Absetzen von Feststoffen aufgrund von Schwer- oder Zentrifugalkraft. In der Abwasserreinigung nutzt man die Sedimentation im Vorklärbecken, um die Feststoffe aus dem Wasser abzuscheiden. Die Feststoffe sammeln sich am Behälterboden und können danach entsorgt werden.

Siebung/ Mikrosiebug

Bei diesem Verfahren werden grobe Verunreinigungen aus dem Oberflächenwasser entfernt, um Rohrleitungen und Pumpen vor Beschädigungen zu schützen. Dies geschieht durch Siebe, Gitter oder Rechen. Anwendung findet dieser Prozess vor allem in der Papier-, Faser- und Textilindustrie aber auch als erste Filtrationsstufe bei der Aufbereitung von Oberflächenwasser oder in Konservenfabriken.

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