Fortschrittliche Abwasser- und Wasseraufbereitung: Nachhaltige Technologien für sauberes Wasser

Abwasser- und Wasseraufbereitungstechnologien

Jahrhundertelang war Wasser für die Stahlindustrie eine billige und reichlich verfügbare Produktionsressource, die als selbstverständlich galt. Doch im aktuellen Szenario werden Wasserressourcen aufgrund des wachsenden Ungleichgewichts zwischen Süßwasserverfügbarkeit und -verbrauch zunehmend knapp. Der Zugang zu sauberem und sicherem Wasser hat sich zu einer der großen Herausforderungen der modernen Gesellschaft entwickelt. Der Wasserbedarf steigt kontinuierlich an, bedingt durch: (i) Bevölkerungswachstum und Migration in dürregefährdete Regionen, (ii) rasante industrielle Entwicklung und steigender Pro-Kopf-Wasserverbrauch sowie (iii) Klimawandel mit veränderten Wettermustern in besiedelten Gebieten. Dies hat die Stahlindustrie in ein neues Zeitalter der Wasserknappheit geführt. Zudem haben sich in den letzten drei Jahrzehnten die Umweltbedenken weltweit verschärft, was zu strengeren Umweltvorschriften führte.

Die Stahlindustrie nutzt enorme Mengen Frischwasser für vielfältige Zwecke: Kühlung, Staubunterdrückung, Reinigung, Temperaturkontrolle (Wärmebehandlung), Transport von Abfallmaterialien (Asche, Schlamm, Zunder) und weitere Anwendungen. Wasser ist integraler Bestandteil einiger Stahlwerksprozesse, etwa zur Feuchtekontrolle des Kokskohlegemischs, beim Pelletieren des Sintergemischs, bei der Herstellung von Grünpellets in der Eisenerzpelletproduktion, bei der Dampf- und Stromerzeugung sowie bei der Granulierung von Hochofenschlacke. Der hohe Wasserverbrauch erzeugt auch beträchtliche Abwassermengen, die abgeleitet werden müssen. Abwassereinleitungen aus der Stahlindustrie gelten als ein Faktor der Gewässerverschmutzung. Das in den Stahlwerksprozessen anfallende Abwasser enthält zahlreiche gelöste und ungelöste Stoffe und Chemikalien.

Hauptverwendungszwecke von Prozesswasser

Zu den wichtigsten Verwendungszwecken von Prozesswasser in Eisen- und Stahlwerken zählen: Kühlung und Reinigung von Prozessabgasen, direkte Kühlung von Koks und Schlacke, direkte Kühlung und Reinigung von Stahl, Produkspülung, Prozesslösungsaufbereitung und direkte Kühlung von Prozessanlagen. Der größte Teil des in Eisen- und Stahlwerken verwendeten Wassers dient der berührungslosen Kühlung von Verarbeitungsanlagen. Wasser wird auch für die Dampf- und Stromerzeugung genutzt.

Definition von Prozessabwasser

Prozessabwasser ist jedes Abwasser, das direkt mit dem Prozess, dem Produkt, den Nebenprodukten oder den Rohstoffen der Eisen- und Stahlproduktion in Kontakt kommt. Dazu gehören auch Abwässer aus der Schlackenabschreckung, Anlagenreinigung, Luftreinhaltedevices, Spülwasser und kontaminiertes Kühlwasser. Sanitärabwasser und Regenwasser gelten nicht als Prozessabwasser. Berührungsloses Kühlabwasser ist Kühlwasser, das nicht direkt mit Prozess, Produkten, Nebenprodukten oder Rohstoffen in Berührung kommt – es wird ebenfalls nicht als Prozessabwasser eingestuft. Nicht-Prozessabwasser stammt aus nicht-prozessualen Betriebsabläufen wie Versorgungsabwässern (Wasseraufbereitungsrückstände, Kesselabschlämmung, Abwässer aus Wärmerückgewinnungsanlagen, Wasser aus Kraft-Wärme-Kopplung), behandelten oder unbehandelten Abwässern aus Grundwassersanierungssystemen, Grubenwasser für Gebäudegründungen und anderen Abwasserströmen, die nicht mit Produktionsprozessen assoziiert sind.

Eine Abwassereinleitung bedeutet die Freisetzung von behandeltem oder unbehandeltem Abwasser in ein Vorfluter. Dies kann aus einer Kläranlage oder aus einem Überlauf im Sammelsystem erfolgen. Unbehandelte Abwassereinleitungen können mehrere unerwünschte Zustände erzeugen: (i) Sauerstoffverzehr und Geruchsbildung im Gewässer, (ii) negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit durch pathogene Mikroorganismen, (iii) Schlamm- und Schaumansammlungen, (iv) Eutrophierung von Gewässern durch Wachstum von Wasserpflanzen und Algen, da Abwasser Nährstoffe enthalten kann, und (v) Bildung großer Mengen übelriechender Gase durch Zersetzung organischer Verbindungen im Abwasser. Diese Einleitung trägt zur Verschmutzung der Gewässer bei, wenn das Abwasser nicht ordnungsgemäß behandelt und unschädlich gemacht wird, bevor es in natürliche Gewässer gelangt. Daher ist die Abwasserbehandlung vor dem Verlassen des Werksgeländes und der Einleitung in natürliche Gewässer zwingend erforderlich.

Entwicklung der Abwasserbehandlungsmethoden

Methoden der Abwasserbehandlung wurden erstmals als Reaktion auf die durch Abwassereinleitungen verursachten ungünstigen Umweltbedingungen und aus Sorge um die öffentliche Gesundheit entwickelt. Die Abwasserbehandlung in der Stahlindustrie ist komplex, da die Abwässer aus verschiedenen Verarbeitungsbereichen des Stahlwerks unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Reines Wasser besteht aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff. In der Natur enthält Wasser viele gelöste Verunreinigungen. Tatsächlich wird Wasser als „universelles Lösungsmittel“ bezeichnet, da es viele Stoffe lösen kann. Selbst destilliertes Wasser und Regenwasser sind nicht „vollständig“ rein, da sie normalerweise sehr geringe Mengen gelöster Stoffe wie Ammoniak enthalten, die als Verunreinigungen gelten. In Oberflächen- und Grundwasser finden sich gelöste Stoffe. Beim Niederschlag werden Stickstoff und andere Gase absorbiert. Wenn Wasser durch den Boden sickert, kann es Stoffe aus der Erde lösen wie Natrium, Calcium, Eisen, Phosphor, Magnesium und Sulfat.

Frisches, unbehandeltes Rohwasser hat einen muffigen Geruch, einen pH-Bereich von 6,5 bis 8 und ist gräulich-braun gefärbt. Die in unbehandeltem Wasser typischerweise gefundenen Verunreinigungen lassen sich grob in vier Grundklassen einteilen: (i) organische Verunreinigungen, (ii) anorganische Verunreinigungen, (iii) Pathogene und (iv) sonstige Verunreinigungen. Die typischen in Abwasser vorhandenen Schadstoffe sind im Folgenden aufgeführt.

Feststoffe

Gesamtfeststoffe im Abwasser können als gelöste oder schwebende Feststoffe vorliegen. Schwebstoffe können kolloidal (nicht absetzbar) oder absetzbar sein. Schwebstoffe (SS) führen bei Einleitung von unbehandeltem Abwasser in die aquatische Umwelt zu Schlammablagerungen und anaeroben Bedingungen. Gesamtschwebstoffe (TSS) umfassen alle Partikel, die einen Filter passieren. Mit steigendem TSS-Gehalt verliert ein Gewässer die Fähigkeit, eine Vielfalt aquatischen Lebens zu erhalten. Schwebstoffe absorbieren Sonnenwärme, was die Wassertemperatur erhöht und den gelösten Sauerstoffgehalt senkt. Einige Feststoffe können auch schwimmfähig sein – typischerweise Öl- oder Fettpartikel, die den Schaum bilden. Schaum lässt sich am einfachsten durch Oberflächenabschöpfung entfernen.

Biologisch abbaubare Organika

Biologisch abbaubare Organika bestehen hauptsächlich aus Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten. Sie werden meist über BSB (biochemischer Sauerstoffbedarf) und CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) gemessen. Der BSB – ein wichtiger Maßstab für die Wasserqualität – misst die Sauerstoffmenge, die Bakterien und andere Organismen benötigen, um die in einer Wasserprobe vorhandene organische Substanz über 5 Tage bei 20 °C zu oxidieren. Der CSB misst den gesamten organischen Kohlenstoff mit Ausnahme einiger Aromaten (Benzol, Toluol, Phenol etc.), die in der Reaktion nicht vollständig oxidiert werden. Der CSB ist eine chemische Oxidationsreaktion. Hohe BSB- und CSB-Werte führen zu niedrigen Sauerstoffkonzentrationen in Gewässern und beeinträchtigen gemeinsam das aquatische Leben. Die biologische Stabilisierung biologisch abbaubarer Organika kann bei unbehandelter Einleitung zur Erschöpfung natürlicher Sauerstoffressourcen und zur Entwicklung septischer Zustände führen.

Pathogene

Pathogene sind krankheitserregende Mikroorganismen. Infektionskrankheiten können durch pathogene Organismen im Abwasser übertragen werden.

Nährstoffe

Sowohl Stickstoff als auch Phosphor sind – neben Kohlenstoff – essenzielle Nährstoffe für Wachstum. Bei Einleitung in die aquatische Umwelt können diese Nährstoffe das Wachstum unerwünschter Wasserorganismen fördern. Bei übermäßiger Einbringung auf Land können sie auch die Grundwasserverschmutzung verursachen.

Kritische Schadstoffe

Dies sind organische und anorganische Verbindungen mit Eigenschaften, die unbekannte oder vermutete Kanzerogenität, Mutagenität oder hohe akute Toxizität verursachen. Das Vorhandensein dieser Verbindungen im Abwasser muss aus Gründen des Gesundheitsschutzes und zum Schutz biologischer Behandlungsprozesse minimiert werden.

Refraktäre Organika

Diese Organika widerstehen konventionellen Abwasserbehandlungsmethoden. Typische Beispiele sind Tenside, Phenole und landwirtschaftliche Pestizide. Einige können für biologische Behandlungsprozesse toxisch sein.

Schwermetalle

Schwermetalle können im Abwasser der verschiedenen Stahlwerksbereiche vorhanden sein. Sie müssen entfernt werden, wenn das Abwasser in ein als Trinkwasserquelle genutztes Gewässer eingeleitet wird. Die Präsenz von Schwermetallen kann auch die Wiederverwertung von Bioschlamm (stabilisiertem Klärschlamm) auf Ackerland beeinträchtigen.

Gelöste anorganische Stoffe

Anorganische Bestandteile wie Calcium, Natrium und Sulfat können im Abwasser einiger Stahlwerksbereiche vorhanden sein. Diese sind zu entfernen, wenn das Abwasser in ein als Trinkwasserquelle genutztes Gewässer eingeleitet wird.

Gelöste Chemikalien

Je nach Prozess kann eine große Bandbreite gelöster Chemikalien im Abwasser vorhanden sein. Dies erfordert eine sorgfältige Bewertung der Schadstoffart, ihrer Konzentration, des Durchflusses und der biologischen Abbaubarkeit. Schon 1 mg/l Konzentration im eingeleiteten Wasser kann gefärbtes Wasser erzeugen, was die ästhetische Qualität und Transparenz von Gewässern beeinträchtigt und die Photosynthese beeinflusst. Säuren und Laugen erzeugen niedrige oder hohe pH-Werte. Einige Chemikalien sind durch konventionelle Behandlungsprozesse schwer abbaubar.

Organische Verunreinigungen, die aus chemischen Verbindungen mit Kohlenstoff stammen, können biologisch abbaubar sein – sie werden von Bakterien und anderen Mikroorganismen verbraucht. Dabei üben sie einen Sauerstoffbedarf aus, der als BSB des Abwassers messbar ist. Einige organische Verunreinigungen (refraktäre Organika) sind resistent gegen biologischen Abbau. Anorganische Verunreinigungen sind nicht biologisch abbaubar, können aber Nährstoffe für Mikroorganismen sein. Es handelt sich typischerweise um chemische Verbindungen (kritische Schadstoffe) oder Metalle, die entweder als Schwebstoffe oder als gelöste anorganische Stoffe im Abwasser vorliegen.

Pathogene sind krankheitserregende Organismen einschließlich Bakterien und Viren, die durch menschliche oder tierische Abfälle oder unsachgemäß behandelte Krankenhausabfälle in das Abwasser gelangen können. Bei der Arbeit mit Abwasser ist strikte Hygiene äußerst wichtig. Weitere Verunreinigungen können thermische Abfälle sein. Abwassereinleitungen mit thermischen Abfällen können plötzliche Zufluss- und Temperaturerhöhungen verursachen. Eine typische Quelle thermischer Abfälle ist berührungsloses Kühlwasser (erhitztes Wasser, dessen Temperatur die des Vorfluters übersteigt). Je nach Nutzung des Vorfluters können Temperaturgrenzwerte für das Abwasser festgelegt werden, um eine Erwärmung des Gewässers und Beeinträchtigungen der Nutzung zu verhindern. Radioaktive Abfälle können aus Laboren und Geräten mit radioaktiven Quellen stammen. Es ist gute Praxis, die Einleitung radioaktiver Abfälle in Kanalsysteme zu verbieten.

Ziele der Wasserbehandlung

Die verschiedenen Wasserbehandlungsprozesse verfolgen hauptsächlich drei Ziele: (i) Erhalt und Bewahrung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Wassers der Entnahmestelle, die es für spezifische Zwecke wie Trinkwasser und produktive Prozesse geeignet machen, (ii) Abwasserbehandlung, die die Öffentlichkeit vor Gesundheitsrisiken schützt, ohne die Umwelt zu schädigen, und (iii) Erhalt und Bewahrung jener Wassereigenschaften in der natürlichen Umwelt, die für Erhaltung und Entwicklung aquatischen Lebens und Vegetation, für Trinkwasser für Nutz- und Wildtiere sowie für Erholungs- und ästhetische Zwecke notwendig sind.

Die Behandlung von Wasser oder Abwasser basiert auf einer Reihe einzelner Verfahrensschritte, die zu einem Prozess kombiniert werden – oft als Behandlungsschema bezeichnet. Die Verfahrensschritte beruhen alle auf einem relativ engen Spektrum grundlegender Prinzipien. Derselbe Mechanismus gilt, ob es sich um Grundwasser, Seen-, Stausee-, Fluss- oder Meerwasser handelt, das für Trinkzwecke aufbereitet wird, oder um Abwasser (Abwasser oder Industrieabwasser), das für die sichere Einleitung in die Umwelt gereinigt wird.

Konventionelle Abwasserbehandlungstechnologien verbessern die Qualität des in die Umwelt eingeleiteten Abwassers und verhindern, dass verschmutzte Gewässer andere saubere Wasserressourcen kontaminieren. Diese Behandlungstechnologien machen Abwasser jedoch nicht für weitere sinnvolle Nutzungen in Gemeinden in der Nähe der Entstehungsorte geeignet. Innovative und fortschrittliche Technologien, die die Abwasserqualität weiter verbessern, sind notwendig, um diese Beschränkung konventioneller Technologien zu überwinden und die breite Einführung von Recycling- und Wiederverwendungspraktiken zu fördern.

Fortgeschrittene Behandlungsprozesse

Fortgeschrittene Behandlungsprozesse können biologische, physikalisch-chemische oder kombinierte (hybride) Prozesse sein. Biologische Prozesse zur Entfernung von Nährstoffschadstoffen wie Stickstoff und Phosphor bilden die Plattform für die weitere Abwasserbehandlung bis zur Wiederverwendungsqualität. Physikalisch-chemische Prozesse wie Tiefbettfiltration, Schwimmbettfiltration und Membranfiltration spielen eine große Rolle unter den Behandlungstechnologien für die Wasserrückgewinnung. Die Membranfiltration bietet signifikante Vorteile gegenüber anderen Prozessen, da sie hochwertiges Ablaufwasser erzeugt, das wenig oder keine Desinfektion bei minimaler Schlammbildung benötigt. Hybride Prozesse versuchen, die Vorteile biologischer und physikalisch-chemischer Prozesse in einem Schritt zu vereinen.

Da die Rückgewinnung von Abwasser und die Einführung von Verfahren zur Aufbereitung und Trinkwassermachung normalerweise das ursprüngliche Ziel des Umweltschutzes ergänzen, werden die verschiedenen Prozesse als demselben Bereich zugehörig betrachtet. Wasserbehandlungstechnologien lassen sich in vier allgemeine Bereiche unterteilen: (i) physikalische Methoden, (ii) chemische Methoden, (iii) biologische Methoden und (iv) energieintensive Methoden.

Physikalische Verfahren

Physikalische Verfahren entfernen Feststoffe aus dem Abwasser, während es durch Siebe oder Filtermedien fließt, oder Feststoffe werden durch Schwerkraftabsetzen oder Luftflotation entfernt. Mit Luft mitgerissene Partikel steigen an die Oberfläche und können entfernt werden. Physikalische Abwasserbehandlungsmethoden stellen einen Technologiekomplex dar, der weitgehend als Feststoff-Flüssig-Trenntechniken bezeichnet werden kann, wobei die Filtration eine dominierende Rolle spielt. Filtrationstechnologie lässt sich in zwei allgemeine Kategorien unterteilen: konventionell und nicht-konventionell. Diese Technologie ist integraler Bestandteil von Trinkwasser- und Abwasserbehandlungsanwendungen. Sie ist jedoch nur ein Verfahrensschritt in einem modernen Wasseraufbereitungsschema, bei dem eine Vielzahl von Geräte- und Technologieoptionen je nach den ultimativen Behandlungszielen zur Auswahl steht. Um die Rolle der Filtration zu verstehen, ist es wichtig, nicht nur Abgrenzungen zu anderen in der Reinigung und Aufbereitung von Abwässern eingesetzten Technologien zu ziehen, sondern auch zu den Zielen unterschiedlicher Verfahrensschritte.

Chemische Verfahren

Chemikalien werden in der Abwasserbehandlung eingesetzt, um Veränderungen an den Schadstoffen herbeizuführen, die deren Entfernbarkeit erhöhen. Änderungen können die Bildung von Flocken oder schwereren Partikelmassen umfassen, um die Entfernung durch physikalische Prozesse zu verbessern. Chemische Behandlungsmethoden beruhen auf den chemischen Wechselwirkungen der zu entfernenden Verunreinigungen. Der Chemikalieneinsatz unterstützt entweder die Trennung von Verunreinigungen vom Wasser oder die Zerstörung bzw. Neutralisierung schädlicher Auswirkungen, die mit Verunreinigungen verbunden sind. Chemische Behandlungsmethoden werden sowohl als eigenständige Technologien als auch als integraler Bestandteil des Behandlungsprozesses mit physikalischen Methoden angewendet. Normalerweise werden Chemikalienzugabe und physikalische Prozesse gemeinsam eingesetzt, um die Behandlung zu gewährleisten.

Biologische Verfahren

Biologische Behandlungsprozesse sind Systeme, die Mikroorganismen nutzen, um organische Verunreinigungen aus Abwasser abzubauen. In der Abwasserbehandlung wurden natürliche biologische Abbauprozesse in Systemen enthalten und beschleunigt, um organisches Material und Nährstoffe zu entfernen. Die Mikroorganismen metabolisieren Nährstoffe, Kolloide und gelöste organische Stoffe, was zu gereinigtem Abwasser führt. Überschüssiges Mikrobenwachstum wird durch physikalische Prozesse aus dem gereinigten Abwasser entfernt. Biologische Prozesse sind die bevorzugte Behandlungsmethode, da sie in Bezug auf Energieverbrauch und Chemikalieneinsatz kosteneffektiv sind.

Energieintensive Technologien

Unter den energieintensiven Technologien spielen thermische Methoden eine doppelte Rolle in der Wasserbehandlung. Sie können als Sterilisationsmittel angewendet werden und so hochwertiges Trinkwasser liefern, und/oder sie können zur Behandlung der Festabfälle oder des Schlamms eingesetzt werden, die aus Wasserbehandlungsanwendungen entstehen. Im letzteren Fall können thermische Methoden im Wesentlichen उसी Weise angewendet werden wie bei der Wasseraufbereitung: zur Sterilisation von mit organischen Verunreinigungen kontaminiertem Schlamm und/oder zur Volumenreduzierung. Volumenreduzierung ist ein Schlüsselschritt, da letztlich ein Trade-off zwischen verschmutztem Wasser und gefährlichem Festabfall besteht. Energieintensive Technologien umfassen elektrochemische Techniken, die weitgehend in Trinkwasseranwendungen eingesetzt werden. Sie repräsentieren sowohl Sterilisation als auch Konditionierung von Wasser, um eine genießbare Qualität zu erreichen.

Alle vier Technologiegruppen können in der Wasserbehandlung kombiniert oder in ausgewählten Kombinationen eingesetzt werden, je nach den Zielen der Wasserbehandlung. Innerhalb jeder allgemeinen Technologieklasse gibt es eine Bandbreite sowohl an Hardware als auch an einzelnen Technologien, die ausgewählt werden können. Die Auswahl nicht nur des richtigen Verfahrensschritts und der Hardware aus jeder Technologiegruppe, sondern auch der optimalen Kombinationen von Hardware und Verfahrensschritten aus diesen vier Gruppen hängt von Faktoren ab wie: (i) den Reinheitsanforderungen an das finale Wasseraustrittsprodukt der Anlage, (ii) den Mengen und Qualitäten des zu behandelnden Abwassers, (iii) den physikalischen und chemischen Eigenschaften der zu entfernenden oder zu neutralisierenden Schadstoffe im Abwasser, (iv) den physikalischen, chemischen und thermodynamischen Eigenschaften der bei der Wasserbehandlung anfallenden Festabfälle, und (v) den Kosten der Wasserbehandlung, einschließlich der Kosten für Behandlung, Verarbeitung und Entsorgung der Festabfälle.

Abwasserbehandlung in der Stahlindustrie

Die Behandlung von Stahlindustrieabwasser erfordert verschiedene Strategien zur Entfernung unterschiedlicher Schadstoffarten. Diese Strategien bestehen aus: (i) Feststoffentfernung, (ii) Öl- und Fettentfernung, (iii) Entfernung biologisch abbaubarer Organika, (iv) Belebtschlammverfahren, (v) Tropfkörperverfahren, (vi) Behandlung toxischer Materialien, (vii) Behandlung von Säuren und Laugen und (viii) Behandlung sonstiger Organika. Die Abwasserbehandlungsanlagen in einem Stahlwerk werden auch als Kläranlagen (ETP) bezeichnet.

Ziele der Kläranlage (ETP)

Die Ziele der ETP sind: (i) Sicherstellung einer guten Wasserqualität bei der Einleitung in die natürliche Umwelt, (ii) effizienteste und kostengünstigste Entfernung von Schadstoffen, (iii) Vermeidung und/oder Minimierung anderer Umweltauswirkungen wie Geruchsbildung, Gasemissionen, Lärmentwicklung und Feststoffentsorgung, (iv) Produktion von gereinigtem Wasser für Wiederverwendung und Recycling, und (v) Rückgewinnung von Salzen, falls wirtschaftlich rentabel. Bei der Planung einer ETP sind folgende Anforderungen zu berücksichtigen: (i) gewünschte ausgehende Abwasserqualität oder Genehmigungsanforderungen zur Einhaltung nationaler, regionaler, lokaler und/oder organisatorischer Richtlinien, (ii) zu behandelndes Abwasservolumen, (iii) Kapazität des Produktionsbereichs, (iv) Technologiekomplexität, Bedienbarkeit, Anpassungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Robustheit und Energiebedarf, (v) Investitions- und Betriebskosten, (vi) verfügbare Fläche, und (vii) Schlammmengen und Entsorgungsanforderungen.

Die Behandlung des in den verschiedenen Bereichen des Stahlwerks anfallenden Abwassers erfolgt normalerweise in einer eigens im Produktionsbereich errichteten Kläranlage. Die in solchen ETPs durchgeführte Abwasserbehandlung verleiht dem Abwasser Eigenschaften, die eine sichere Einleitung aus dem Werk in die Gewässer oder eine vollständige oder teilweise Rückführung in den Prozess ermöglichen.

Abwasser aus den verschiedenen Prozessen des Stahlwerks wird – je nach seinen Eigenschaften – unterschiedlichen Behandlungsoptionen unterzogen. Verschiedene Kombinationen der Behandlungsprozesse physikalischer, chemischer, biologischer und energieintensiver Technologien werden zur Entfernung von Feststoffen, organischen Stoffen und manchmal Nährstoffen aus dem Abwasser eingesetzt.

Die Abwasserbehandlungsprozesse (Abb. 1) des Stahlwerks gliedern sich in dieselben vier Gruppen wie zuvor beschrieben. Die Behandlung erfolgt auf vier Stufen: Vorbehandlung, Primärbehandlung, Sekundärbehandlung und Tertiärbehandlung. Diese Stufen beschreiben die unterschiedlichen Behandlungsgrade des Abwassers. Diese Prozesse werden im Folgenden kurz beschrieben.

Abb. 1 Abwasserbehandlungsprozesse

Vorbehandlung

Ziel der Vorbehandlung ist die Entfernung von Materialien, die Verstopfungen, Verschmutzungen nachgelagerter Geräte und Geräteabrieb verursachen können. Die Vorbehandlung erfolgt normalerweise, bevor das Abwasser in die ETP gelangt, und dient der Verbesserung der ETP-Leistung. Bei dieser Behandlung werden Grobfeststoffe und andere große Materialien aus dem Abwasser entfernt. Die Entfernung dieser Materialien ist essenziell für die Steigerung der Betriebs- und Wartungseffizienz der nachgelagerten Behandlungsstufen. Bei dieser Abwasserbehandlung werden mehrere Verfahrensschritte eingesetzt, um unerwünschte Abwassereigenschaften zu beseitigen. Dazu gehören normalerweise: (i) Geruchskontrolle und (ii) Operationen wie Vorbelüftung, Grobfeststoffzerkleinerung und Entfernung großer Materialien mittels Rechen und Roste. Oft werden auch Öl- und Fettentfernung sowie pH-Korrektur durchgeführt.

Primärbehandlung

Dies ist der erste Schritt im Abwasserbehandlungsprozess oder der zweite Schritt nach der Vorbehandlung. Die Primärbehandlung folgt auf die Vorbehandlung und umfasst physikalische und chemische Behandlung zur pH-Korrektur von alkalischen Bedingungen auf einen pH-Wert nahe der Neutralisation sowie physikalisches Absetzen von Schwebstoffen in Primärklärern zur Reduzierung der BSB- und SS-Fracht auf nachgelagerte Prozesse. Insgesamt führt der Einsatz von Primärklärern zu weniger Problemen im nachgelagerten biologischen Prozessbetrieb. Beispielsweise gibt es geringere Mengen an Öl und Fett sowie Biomasseanreicherung im biologischen Reaktor, was mögliche Ablagerungen im Behälter minimiert und die Neigung zu „nicht-filamentösem“ Aufschlämmen der Belebtschlammbiomasse verringert. In den meisten Fällen nutzt die Primärbehandlung Koagulations-Flockungsprozesse zur Verbesserung der Feststofftrennung.

Insgesamt führt die Einführung von Primärklärern zu weniger Problemen im nachgelagerten biologischen Prozessbetrieb. Ziele der Primärbehandlung sind die Entfernung absetzbarer organischer und anorganischer Feststoffe durch Sedimentation und die Entfernung schwimmender Materialien durch Abschöpfung. Während der Primärbehandlung werden normalerweise etwa 35 % bis 55 % des gesamten eingehenden BSB, etwa 55 % bis 75 % der gesamten SS und etwa 70 % des Öls und Fetts entfernt. Einige Mengen an organischem Phosphor und organischem Stickstoff sowie an Feststoffe gebundene Schwermetalle werden während der Primärsedimentation entfernt, kolloide und gelöste Bestandteile bleiben jedoch unbeeinflusst.

Während der Primärbehandlung wird die physikalische Trennung von Schwebstoffen aus dem Abwasser mittels Primärklärern durchgeführt. TSS und die damit verbundenen BSB-Werte werden in diesem Behandlungsprozess reduziert und das Abwasser wird auf den nächsten Behandlungsschritt vorbereitet. Die Entfernung absetzbarer organischer und anorganischer Feststoffe durch Sedimentation und Abschöpfung von Materialien ist das Hauptziel dieses Behandlungsschritts.

Die Primärbehandlung umfasst verschiedene physikalisch-chemische Prozesse und gewährleistet eine zufriedenstellende Leistung der nachgelagerten Behandlungsprozesse. Der Hauptprozess der Primärbehandlung ist die Sedimentation, während Hilfsprozesse Feinrechen, Flockung und Flotation sind. Der Flockung geht normalerweise eine chemische Behandlung voraus, üblicherweise mit Kalk, Alaun oder einem proprietären Chemikalien. Der Hauptzweck dieser Behandlung ist die Entfernung von Metallen durch Fällung und die Entfernung einiger damit verbundener kolloider BSB zur Erzeugung von Chemieschlamm. Die Primärbehandlung wendet Koagulations-Flockungsprozesse an, um die Feststofftrennung zu verbessern. Einige dieser Prozesse werden im Folgenden beschrieben.

Flockung

Dies ist ein physikalisch-chemischer Prozess, der die Aggregation von viskosen kolloidalen und fein verteilten Schwebstoffen durch physikalisches Mischen und Zugabe chemischer Koagulanzien fördert. Der Prozess besteht aus einem Schnellmischbehälter und einem Flockungsbehälter. Der Abwasserstrom wird im Schnellmischbehälter mit den Koagulanzien vermischt und dann durch das Flockungsbecken geleitet, wo eine langsame Mischung des Abwassers erfolgt, die es den Partikeln ermöglicht, sich in Form größerer und schwererer absetzbarer Feststoffe zu sammeln. Eine bessere Mischung wird durch Druckluft oder mechanische Rührwerke unterstützt. Natürliche organische Polymere, anorganische Elektrolyte und synthetische Polyelektrolyte sind die verschiedenen Arten von Chemikalien, die für die Koagulation verwendet werden. Je nach Eigenschaften und chemischen Eigenschaften der Verunreinigungen werden spezifische Chemikalien ausgewählt.

Sedimentation

Der Hauptzweck der Primärsedimentation ist die Trennung der festen und flüssigen Phasenanteile im Abwasser. Sie entfernt leicht absetzbare Feststoffe mittels Schwerkraft. Die Feststoffe sind hauptsächlich organischer Natur sowie schwimmende Materialien wie Fette, Öle und Fett. Die abgesetzten Feststoffe werden als Primärschlamm bezeichnet. Daher reduziert der Prozess den SS-Gehalt des Zuflussabwassers. Obwohl das Volumen des Primärschlamms nur etwa 2 % des gesamten Zuflussabwasservolumens beträgt, macht er etwa 30 % bis 40 % der organischen Fracht (ausgedrückt als CSB) und etwa 40 % bis 60 % der SS-Fracht aus. In der Sedimentationskammer sind Prallbleche und Ölabschöpfer zur Entfernung von Fetten und schwimmenden Feststoffen enthalten, es können auch mechanische Schaber zur Schlammabfuhr vom Kammerboden vorhanden sein.

Die Effizienz der Feststoffentfernung hängt von den Eigenschaften des Sedimentationsbehälters oder Klärers ab. Ein Sedimentationsbehälter ist eine Vorrichtung, die Einlauf-Prallbleche zur Energieverteilung, eine Ruhigzone für das Partikelabsetzen, mechanische Mittel zur Entfernung abgesetzter Feststoffe und eine niedrige Fließgeschwindigkeit zum Auslauf umfasst.

Flockungs- und Sedimentationsbehälter können rechteckig, kreisförmig oder als Lamellenklärer (geneigte Platten) ausgeführt sein, wobei die Auswahl auf lokalen Standortbedingungen, verfügbarer Fläche und Erfahrung des Planungsteams basiert. Idealerweise werden zwei oder mehr Behälter benötigt. Rechteckige und Lamellenbehälter benötigen weniger Grundfläche als kreisförmige und sind dort nützlich, wo weniger Platz verfügbar ist.

Rechteckige Behälter haben geradlinige Strömungsmuster, die die Flockung (bei chemisch unterstützter Sedimentation) erhöhen und die Verweilzeit verkürzen. Das Wasser tritt an einem Ende ein, passiert eine Einlauf-Prallblechanordnung und durchläuft die Länge des Behälters zu den Auslaufüberläufen und -rinnen. Sie werden mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von 3:1 bis 5:1 ausgelegt, was eine große effektive Absetzzone unter nahezu idealen Bedingungen sowie eine Bodenneigung von 1 % bietet. Ein mechanischer Schaber am Boden bewegt den abgesetzten Schlamm in eine Sammelzone, von wo er anschließend abgepumpt wird.

Bei kreisförmigen Klärern (Abb. 2) ist das Strömungsmuster radial. Um das radiale Strömungsmuster zu erreichen, wird das Abwasser in den meisten Ausführungen in der Mitte oder manchmal am Rand des Behälters eingeleitet. Bei der Mitteldesign-Variante wird das Abwasser durch ein Rohr und einen zentralen Prallblech („Zentralbrunnen“) transportiert und strömt radial zu einem Überlauf, der den Umfang des Behälters umläuft. Der Zentralbrunnen hat typischerweise einen Durchmesser von 15 % bis 25 % des Gesamttankdurchmessers und eine Höhe von 1 m bis 2,5 m. Die ruhige Absetzzone muss groß genug sein, um die Überlaufrate und Tiefeanforderungen für diskretes und flockulentes Absetzen zu erfüllen.

Gereinigtes Wasser wird über V-förmige Überlaufwehre abgeleitet. Der Boden ist geneigt, um die Schlammkonzentration und -entfernung zu unterstützen. Schlamm wird mittels mechanischer Rechen entfernt. Typische Verweilzeit in einem Sedimentationsbehälter beträgt 2 bis 3 Stunden. Schwebstoffentfernung liegt bei 45 % bis 55 %.

Abb. 2 Schematische Darstellung eines kreisförmigen Sedimentationsbehälters

Druckluftflotation

Bei diesem Prozess werden Luftblasen eingesetzt. Sie dienen dazu, Schwebteilchen im Abwasser an die Oberfläche zu heben, damit diese leicht gesammelt und entfernt werden können. Die in das Abwasser eingebrachten Luftblasen haften hauptsächlich an den Partikeln und lassen diese aufsteigen. Schwebstoffe, dispergiertes Öl und Fett aus öligem Abwasser und einige andere Abwässer können durch das Verfahren der Druckluftflotation (DAF) entfernt werden.

Zur Entfernung von Öl und Fett ist die Druckluftflotation besonders geeignet, insbesondere dort, wo das spezifische Gewicht der Schwebstoffe nahe 1,0 liegt. Der DAF-Prozess nutzt Druckluft, um Mikroluftblasen (10 bis 50 Mikrometer Durchmesser) freizusetzen, die sich an den Partikeln anlagern, wodurch freie Ölpartikel leicht an die Oberfläche steigen und abgeschöpft werden können. Der DAF-Prozess ist sehr effektiv bei der Entfernung von Öl und Fett, da Öl sich nicht auf natürliche Weise absetzt, da sein spezifisches Gewicht geringer ist als das von Wasser. Liegt das Öl in emulgierter Form vor, werden Chemikalien benötigt, um die Ölemulsionsschicht zu destabilisieren.

Der unter Druck stehende Wasserstrom kann der gesamte Zufluss des Abwassers, ein Teil des Zulaufs oder bereits prozessbehandeltes Wasser (Ablauf) sein. Dies führt zu drei Arten nutzbarer DAF-Prozesse: Volumenstrom, Teilstrom und Rezirkulationsstrom. Abb. 3 zeigt ein Schema des DAF-Prozesses. Die häufigste DAF-Anwendung in der Abwasserbehandlung ist ein Rezirkulationsstromsystem, da es weniger Ausrüstung für die Druckbeaufschlagung benötigt (geringerer Energieverbrauch), Pumpenabrieb vermeidet und die Bildung von Kolloiden und Emulsionen im Pumpensystem verhindert.

Der DAF-Prozess kann Ölkonzentrationen auf 10 bis 25 mg/l reduzieren, solange die Zulaufkonzentration nicht größer als 500 mg/l ist. Der DAF-Prozess arbeitet bei höheren hydraulischen Belastungsraten als Schwerkraftsedimentationssysteme, weshalb die Verweilzeiten um 15 bis 30 Minuten kürzer sind. Dies ermöglicht einen kompakteren Aufbau und einen kleineren Fußabdruck. DAF-Anlagensysteme sind in kreisförmiger oder rechteckiger Konfiguration erhältlich.

Abb. 3 Schematische Darstellung des Druckluftflotationsprozesses

Im Rückhaltebehälter wird das Abwasser unter Druck gesetzt und mit Luft in Kontakt gebracht. Das übersättigte und unter Druck stehende Wasser wird durch ein Druckminderungsventil an den Boden des Flotationsbehälters geleitet. Der übersättigte Luftanteil beginnt, sobald der Druck abfällt, in Form feiner Blasen aus der Lösung auszutreten. Die mit den Schwebteilchen verbundenen und im Schlammflock verfangenen Luftblasen steigen an die Oberfläche; diese Schwimmstoffe werden kontinuierlich von der Oberfläche abgezogen und der Schlamm wird vom Boden des Behälters gesammelt. Die Ölabscheideeffizienz des DAF-Prozesses kann durch Zugabe bestimmter Koagulanzien erhöht werden.

Chemische Behandlungsprozesse

Die chemische Behandlung kann vorzugsweise vor der biologischen Behandlung eingesetzt werden, da sie giftige Chemikalien entfernt, die Mikroorganismen abtöten können, oder an jedem beliebigen Stadium des Behandlungsprozesses, wann immer sie notwendig ist. Chemische Behandlungsprozesse werden im Folgenden beschrieben.

Entfernung gelöster Feststoffe

Gelöste Feststoffe können durch verschiedene Methoden entfernt werden: (i) Umwandlung in schwebende Materialien, normalerweise durch Chemikalien, die den Schadstoff als Feststoff oder Gas ausfällen, um eine physikalische Trennung zu ermöglichen, (ii) Adsorption auf ein festes Material, das entweder schwebend oder als Festbett vorliegen kann, wie pulverförmige oder granulierte Aktivkohle, (iii) Abtrennung mittels dichter Membranverfahren wie Umkehrosmose oder Nanofiltration, oder (iv) Umwandlung in relativ harmlose Endprodukte.

Eine Umwandlung erfordert notwendigerweise Chemie oder Biochemie, und die chemische Reaktion kann entweder Reduktion/Oxidation (Redox) oder nicht-Redox sein. Viele chemische und biochemische Prozesse arbeiten durch Oxidation, wobei die Endprodukte bei organischen Schadstoffen normalerweise Kohlendioxid, Nitrat und Wasser sind. Beispiele für chemische Reduktion sind das Abfangen von überschüssigem Chlor mit Bisulfit oder die biochemische Reduktion von Nitrat zu Stickstoff, letztere wird als „Denitrifikation“ bezeichnet. Es gibt auch viele wichtige nicht-Redox-Chemieprozesse, wie pH-Einstellung oder Fällung alkalischer Erdsalze wie Calciumcarbonat oder -sulfat.

Neutralisation

Das unbehandelte Abwasser weist einen weiten pH-Bereich auf, und es ist nicht einfach, Abwasser mit einem so variablen pH-Wert zu behandeln. Zur Optimierung der Behandlungseffizienz wird der Neutralisationsprozess verwendet, um den pH-Wert einzustellen. Zur Senkung des pH-Werts können Schwefel- oder Salzsäure zugegeben werden, zur Erhöhung des pH-Werts können gelöschter Kalk oder Natronlauge verwendet werden. Normalerweise wird der Neutralisationsprozess in einem Schnellmischbehälter oder in einem Ausgleichsbehälter durchgeführt. Um den pH-Wert der Einleitung zur Einhaltung der Standards zu kontrollieren, kann der Neutralisationsprozess am Ende der Behandlung durchgeführt werden.

Fällung

Der Fällungsprozess wird in zwei Schritten zur Entfernung von Metallverbindungen aus dem Abwasserstrom durchgeführt. Das Mischen von Fällungsmitteln mit dem Abwasser und das Zulassen der Bildung unlöslicher Metallfällungen ist der erste Schritt. Die Entfernung der gefällten Metalle aus dem Abwasser durch Klärung und Filtration erfolgt im zweiten Schritt, und der resultierende Schlamm wird ordnungsgemäß behandelt und nach der Behandlung recycelt oder entsorgt. Der wichtige Parameter bei einer chemischen Fällung ist die pH-Kontrolle.

Die Löslichkeit von Metallhydroxiden nimmt bei höheren oder niedrigeren pH-Werten zu und ist amphoterer Natur. Daher gibt es für die Hydroxidfällung jedes Metalls einen optimalen pH-Wert. Da normalerweise mehr als ein Metall im Abwasser vorhanden ist, ist es sehr schwierig, das optimale Behandlungschemikalien und die pH-Kontrolle auszuwählen, was einen Kompromiss zwischen der bestmöglichen Entfernung von zwei oder mehr Metallen erfordert. Kalk, Natronlauge, Soda, Natriumsulfid und Eisensulfat sind die verschiedenen Chemikalien, die für den Fällungsprozess verwendet werden. Das Verfahren zur effektiven Entfernung von Metallen wie Antimon, Arsen, Chrom, Kupfer, Blei, Nickel und Zink ist normalerweise die Hydroxidfällung, während für die Entfernung von Quecksilber, Blei, Kupfer, Silber, Cadmium etc. die Sulfidfällung verwendet wird. Abb. 4 zeigt das Fließschema des chemischen Behandlungsprozesses zur Metallentfernung.

Abb. 4 Fließschema des chemischen Behandlungsprozesses zur Metallentfernung

Sekundärbehandlung

Der Sekundärbehandlungsprozess umfasst die Zersetzung oder den Abbau der im Abwasser vorhandenen schwebenden und gelösten organischen Substanzen mittels Mikroorganismen. Das Belebtschlammverfahren (ASP) und biologische Filtrationsmethoden sind die hauptsächlich verwendeten biologischen Behandlungsprozesse. Der biologische Behandlungsprozess, der hauptsächlich für die Sekundärbehandlung eingesetzt wird, basiert auf der mikrobiologischen Wirkung zum Abbau organischer schwebender und gelöster Abwässer. Mikroben können für natürliche Verbindungen sowohl als Kohlenstoffquelle als auch als Energiequelle genutzt werden.

Zur Entfernung organischer Schadstoffe ist die biologische Behandlung der effizienteste Sekundärbehandlungsprozess. Sie nutzt primär die natürlich im Abwasser vorhandenen Mikroben zum Abbau organischer Verunreinigungen. Einige anorganische Verbindungen wie Ammoniak, Cyanid, Sulfid, Sulfat und Thiocyanat sind ebenfalls biologisch abbaubar. Biologische Prozesse lassen sich grob einteilen in: (i) aerob – die verwendeten Mikroben benötigen Sauerstoff zum Wachsen, (ii) anaerob – die verwendeten Mikroben wachsen ohne Sauerstoff, nutzen aber andere Verbindungen wie Sulfat, Phosphat oder andere im Abwasser vorhandene Organika außer Sauerstoff, und (iii) fakultativ – die verwendeten Mikroben können in Gegenwart oder Abwesenheit von Sauerstoff wachsen.

Aerobe Prozesse bestehen aus einem biologischen Reaktor mit kontrollierter Biomasse und einem Nachklärer zur Trennung der Biomasse vom endgültigen Ablauf. Aerobe Prozesse benötigen höhere Energieeinträge und produzieren größere Schlammmengen im Vergleich zu anaeroben Systemen. Als Beispiel: Bei gleicher 100 kg CSB-Zulaufbelastung benötigt die aerobe Behandlungsanlage 100 kWh für die Belüftung und produziert 30 bis 60 kg Schlamm bei einem Ablauf-CSB von 2 bis 10 kg. In der anaeroben Behandlungsanlage bei gleicher 100 kg CSB-Zulaufbelastung beträgt die Schlammproduktion nur 5 kg – also sechs- bis zwölfmal weniger – und es werden 40 bis 45 m³ Biogas produziert, das in 382 kWh Strom umgewandelt werden kann. Allerdings ist der CSB im Ablauf doppelt so hoch wie in der aeroben Anlage, also von geringerer Qualität.

Wichtige Prozessparameter

Hydraulische Verweilzeit (HRT) – Die durchschnittliche Zeit im Belüftungsbecken, äquivalent zum Beckenvolumen geteilt durch den mittleren Durchfluss, ausgedrückt in Stunden. Die hydraulische Verweilzeit muss ausreichend lang sein, um den erforderlichen BSB abzubauen, und hängt vom Typ des biologischen Behandlungssystems ab. Sie kann von 0,5 bis 120 Stunden reichen. Je niedriger die hydraulische Verweilzeit, desto schneller erreicht das Abwasser den Auslauf.

Belebtschlamm-Konzentration (MLSS) – Der Schwebstoffgehalt ist einer der wichtigsten Steuerparameter in biologischen Abwasserbehandlungsprozessen. Er steht nicht nur in direktem Zusammenhang mit den Schlammabsetzeigenschaften und der Ablaufqualität, sondern auch mit dem Nahrung/Mikroorganismus-Verhältnis (F/M), das wiederum mit allen Aspekten der Schlamm-Eigenschaften zusammenhängt. MLSS repräsentiert die Gesamtschwebstoffe einschließlich Bakterien, toter Biomasse und höherer Lebensformen, unabhängig von der biologischen Aktivität. Der organische Anteil von MLSS wird durch „mixed liquor volatile suspended solids“ (MLVSS) dargestellt, was die Biomasse repräsentiert. MLSS wird durch die Schlammabwurfsteuerung kontrolliert. Typische MLSS-Werte hängen vom Prozesstyp ab. Je höher die MLSS-Konzentration, desto kleiner der Anlagen-Fußabdruck – daher die Beliebtheit von Membranbioreaktoren (MBR) an standortbeschränkten Orten. MLVSS beträgt 0,75 MLSS.

Nahrung-zu-Mikroorganismus-Verhältnis (F/M) – Ein Begriff zur Ausdrückung der organischen Belastung eines Belebtschlammverfahrens. F/M ist ein kritischer Faktor in Prozessdesign und -betrieb, besonders bei der Bestimmung des Belüftungsbeckenvolumens. Der F/M-Bereich liegt etwa bei 0,5 bis 1,5. Für konventionelle Anlagen wird ein F/M von 0,2 bis 0,5 angestrebt. In biologischen Behandlungsanlagen, die mit hohen F/M-Belastungen (0,8 bis 1,5) betrieben werden, steigt die Behandlungsrate auf Kosten schlechterer Schlammabsetzbarkeit. Prozesse mit niedrigen F/M-Belastungen (0,05 bis 0,2) sind mit langsamen BSB-Abbauraten, aber guter Schlammabsetzbarkeit verbunden. Allerdings kann das System leicht durch einen Spitzenbelastungsschub organischer Stoffe gestört werden.

Schlammalter – Auch bekannt als „mean cell residence time“ (MCRT) und „solids retention time“ (SRT). Es wird berechnet als die Gesamtmenge an Schlamm im Belüftungsbecken und Nachklärer geteilt durch die täglichen Schlammverluste durch Überschussschlamm und Ablauf. Das Schlammalter kann von 0,5 Tagen bis 75 Tagen in Systemen mit niedriger Wachstumsrate variieren. Das Schlammalter ist ein Indikator für F/M-Verhältnisse. Kürzere Zeiten deuten auf hohe F/M-Verhältnisse hin, längere auf niedrige F/M-Verhältnisse. Schlammalter wird durch die Gleichung ausgedrückt: „Schlammalter = Schlammmasse in (Belüftungsbecken + Nachklärer) / tägliche Schlammverluste“.

Die Qualität des Schlammalters kann mit einem Mikroskop bei 100-facher Vergrößerung bestimmt werden. Tägliche mikroskopische Analysen können Probleme verhindern. Wichtige Mikroorganismen in der biologischen Behandlung sind Bakterien, Pilze, Algen, Protozoen, Rädertierchen und Würmer. Das Vorhandensein von Indikatororganismen höherer Lebensformen korreliert normalerweise mit der Anlagenleistung. Sie können anzeigen, ob der Schlamm jung, mittel oder alt ist. Gut absetzbarer Schlamm zeichnet sich durch das Vorhandensein von Protozoen wie Stielciliaten und Sauginfusorien aus und ist normalerweise goldbraun gefärbt (Kläranlagen). Niedriges Schlammalter zeichnet sich durch Abwesenheit von Stielciliaten und Vorherrschen freischwimmender Ciliaten wie Pantoffeltierchen aus (diese verbrauchen viel Energie beim Schwimmen), und hohe BSB-Spitzen durch Abwesenheit höherer Lebensformen. Alter Schlamm zeichnet sich durch das Vorhandensein vieler Würmer (Nematoden) oder Rädertierchen aus.

Ein weiterer nützlicher Indikator ist der „Schlammvolumenindex“ (SVI). Schlamm wird in einen 1-Liter-Messzylinder gegossen und der Prozentsatz des abgesetzten Schlamms in 5-Minuten-Intervallen für 30 Minuten notiert. SVI wird in ml/g ausgedrückt. Es ist ein zuverlässiger Fehlersuchtest. SVI-Werte können von 30 ml/g bis 400 ml/g variieren. Werte unter 150 deuten auf gute Schlammabsetzbarkeit hin, Werte darüber auf Schlammaufschlämmung. Weitere Schlüsselvariablen, die den Betrieb des biologischen Reaktors beeinflussen, sind unten aufgeführt.

Sauerstoffbedarf – Sauerstoff wird für den Abbau organischer Stoffe benötigt. Die Konzentration hängt vom organischen Stoffverbrauch, der endogenen Atmung und der gesamten Nitrifikation der TKN-Oxidation (Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff) ab. Typische Sauerstoffkonzentration in einem Belüftungsbecken beträgt 2 bis 4 mg/l. Höhere Werte werden für die Stickstoffentfernung aufrechterhalten. Darüber hinaus wird Strom verschwendet.

Schlammproduktion (Schlammertrag) – Der Abbau der Biomasse produziert Schlamm. Für konventionelle Industriesysteme kann die Schlammproduktion so niedrig wie 0,15 kg/kg BSB sein, wie bei der Koksherstellung.

Schlammrückführrate – Ein Teil des produzierten Schlamms wird zurückgeführt, um die Produktion von mehr Schlamm im Belüftungsbecken zu fördern. Es ist das Verhältnis zwischen dem volumetrischen Schlammrückführstrom und dem volumetrischen Behandlungszulauf. In jedem Fall darf die Kapazität des Schlammrückführsystems nicht weniger als 200 % des täglichen mittleren Gesamtzuflusses betragen.

Nährstoffbedarf (C:N:P-Verhältnis) – Neben Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff benötigt Biomasse Stickstoff, Phosphor und Mikronährstoffe wie Eisen, Calcium, Magnesium, Kupfer, Zink usw. Die meisten Industrieabwässer mangeln an N und P, die (in Form von Harnstoff, Superphosphat oder Ammoniumphosphat) zugegeben werden müssen, um optimale mikrobielle Wachstumsbedingungen aufrechtzuerhalten. Das minimale C:N:P-Verhältnis für optimales mikrobielles Wachstum in aeroben Prozessen beträgt 100:5:1, in anaeroben Prozessen 330:5:1.

Häufigste biologische Prozesse

Aerobe Prozesse – Belebtschlammverfahren (ASP)

Biologische Prozesse, die aerobe Biomasse in Suspension einsetzen, werden traditionell als Belebtschlammverfahren bezeichnet. Das ASP wurde in den frühen 1900er Jahren im Vereinigten Königreich zur Behandlung von Haushaltsabwasser entwickelt und seitdem für die Entfernung biologisch abbaubarer Organika in Industrieabwasser adaptiert. Das ASP und seine Varianten können biologisch abbaubares Abwasser mittlerer Stärke (10 bis 1.000 mg/l BSB) bis hoher Stärke (über 1.000 mg/l BSB) behandeln. Das ASP entfernt keine Schwermetalle oder TDS. Einige Schadstoffe wie Cyanid und Schwermetalle wie Chrom und Quecksilber im Abwasser wirken als Inhibitoren für die ordnungsgemäße Funktion des ASP und anderer biologischer Prozesse. ASPs wurden nach der Massenbelastungsauslegung in drei Gruppen eingeteilt: (i) niedrige Belastung (verlängerte Belüftung, Oxidationsgräben etc.), (ii) mittlere Belastung (konventionell) und (iii) hohe Belastung.

Das ASP umfasst das Mischen von abgesetztem Primärabwasser oder eingeregeltem Zulauf mit einer Kultur von Mikroorganismen zu einer Flüssigkeit, die als „Belebtschlamm“ bezeichnet wird. Dieser Belebtschlamm wird durch ein Belüftungsbecken geleitet, das eine ausreichend sauerstoffreiche Umgebung für die Mikroben bietet, um die organische Substanz im Wasser zu fressen und zu stabilisieren. Durchmischung bringt Sauerstoff und Nahrung zu den Mikroorganismen, lässt diese verklumpen und verhindert gleichzeitig das Absetzen von Flocken im Belüftungsbecken. Der Prozess produziert „Überschussschlamm“ (WAS) bestehend aus Mikroben und überschüssigem mikrobiellem Material. Feststoffe und gereinigtes Abwasser werden in einem Nachklärer oder einem anderen Feststofftrennungsschritt wie einem Membranbioreaktor (MBR) getrennt. Hier wird der Großteil des WAS als Rücklaufbelebtschlamm (RAS) in das Belüftungsbecken zurückgeführt, um die Mikrobenpopulation im Belüftungsbecken aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass der Belebtschlamm alt genug ist, um CSB und aromatische Kohlenwasserstoffe abzubauen. Der Rest wird entfernt und einer Eindickung unterzogen.

Der Nachklärer hat den doppelten Zweck, das Abwasser zu klären und den Schlamm zu konzentrieren. Der Prozess ist empfindlich gegenüber pH-Schwankungen, wobei ein zu hoher oder zu niedriger pH-Wert das System stören und eine Überlastung des Nachklärers verursachen kann. Abb. 5 zeigt ein Schema des Belebtschlammverfahrens und des Membranbioreaktorverfahrens.

Abb. 5 ASP- und MBR-Prozesse

Stickstoffhaltige Verbindungen sind für aquatisches Leben giftig, entziehen dem Vorfluter Sauerstoff, beeinträchtigen die öffentliche Gesundheit und verringern das Potenzial zur Wasserrückgewinnung. Daher werden stickstoffhaltige Verbindungen, wenn sie als übermäßig eingestuft werden, durch Nitrifikation und anschließende Denitrifikation entfernt. Organischer Stickstoff wird zu Ammoniak umgewandelt, dann zu Nitrit, welches weiter zu Nitrat oxidiert und schließlich zu gasförmigem Stickstoff. Die Denitrifikation verbraucht Alkalinität und muss ausreichend sein, um den pH-Wert nicht zu senken. Sie erfordert 7,14 mg/l Bikarbonat-Alkalinität für jedes 1 mg/l entfernten Ammoniak-Stickstoffs. Sauerstoff muss auch bei Konzentrationen nahe 4 mg/l für die Denitrifikation aufrechterhalten werden. Die Prozesssteuerung wird normalerweise für jedes Abwasserbehandlungssystem individuell angepasst, abhängig von den Abwassereigenschaften und für optimalen Betrieb.

Aerobe Prozesse – Oxidationsgraben-Verfahren

Dieses in den 1950er Jahren in den Niederlanden entwickelte Verfahren ist eine Variante des ASP und eine spezielle Form der verlängerten Belüftung. Die Form des Oxidationsgrabens ähnelt einem Ring. Abwasser, Mikroorganismen und Belebtschlamm werden in einem kontinuierlichen Ringgraben gemischt, um Nitrifikations- und Denitrifikationsreaktionen abzuschließen. Die Oxidationsausrüstung besteht aus Grabenkörper, Belüftungsmischern und Ein- und Ausläufen. Angesichts seiner langen hydraulischen Verweilzeit von 20 bis 36 Stunden, niedriger organischer Belastung und langem Schlammalter im Vergleich zum konventionellen ASP entfallen Ausgleichsbecken, Primärsedimentation und Schlammfaulbehälter.

Der Oxidationsgraben bietet viele Vorteile: (i) niedriger Energieverbrauch, (ii) geringe Wartung, (iii) einfache Bedienung, niedrige Investitionskosten, (iv) weniger Schlamm aufgrund verlängerter Feststoffverweilzeit, und (v) Widerstandsfähigkeit gegen Schockbelastungen und hydraulische Spitzen durch lange hydraulische Verweilzeit. Nachteile sind, dass die Ablauf-Schwebstoffqualität schlechter ist als beim ASP-Verfahren und eine große Fläche benötigt wird.

Aerobe Prozesse – Sequencing Batch Reactor (SBR)

Der Sequencing Batch Reactor (SBR) unterscheidet sich von anderen ASPs. Es ist ein Batch-Prozess. Das Prinzip ist, dass alle Prozessschritte des ASP – Primärabsetzung, biologische Oxidation und Sekundärabsetzung – in einem einzigen Behälter stattfinden. Die Prozessschritte sind: Füllen, Reagieren, Absetzen, Entnehmen und Ruhen. SBR ist kompakt und hat niedrige Investitionskosten. Er wird eingesetzt, wenn Fläche knapp ist, da er nur einen Behälter für Belüftung und Klärung benötigt. Er wird auch zur Stickstoff- und Phosphorentfernung genutzt. Standardzyklen dauern normalerweise 4 bis 6 Stunden, was 4 bis 6 Reaktionszyklen pro Tag ergibt. Im Vergleich zum konventionellen ASP ist er widerstandsfähig gegen Schockbelastung, flexibel im Betrieb durch Anpassung der Laufzeit und produziert wenig Schlamm.

Tropfkörper

Diese in den 1890er Jahren entwickelten Filter sind ein Beispiel für ein festes Film-Bioverfahren im Vergleich zum ASP, das ein Suspensionsverfahren ist. Ein Tropfkörper besteht aus einem Bett aus grobem Material wie gerundeten Steinen (25 bis 100 mm Durchmesser), Brechstein, Holz- oder Kunststofflatten und Kunststoffringen, über die Abwasser von beweglichen Sprühverteilern oder festen Düsen verteilt wird. Das Filtermedium bietet eine große Oberfläche, an der Mikroorganismen haften und einen gallertartigen Biofilm von etwa 10 mm Dicke bilden können. In den äußeren Bereichen des Biofilms (0,1 bis 0,2 mm) bauen aerobe Bakterien die organische Substanz ab. Wenn der Biofilm sehr dick wird, löst er sich ab und eine neue Biofilm-Schicht bildet sich. Moderne Tropfkörper verwenden Kunststoffmedien statt Steinen, da sie leichter sind und Filtermedien bis zu 6 m Tiefe ermöglichen im Vergleich zu 3 m bei Steinfiltern, was höhere Filter bei geringerem Flächenbedarf erlaubt.

Der Filterablauf wird zurückgeführt, um Austrocknung des Filtermediums zu minimieren, die Filtereffizienz zu verbessern und das Geruchspotenzial zu reduzieren. Manchmal werden zwei Filter in Reihe geschaltet, um stark belastetes Abwasser zu behandeln. Die Sprühdüsen rotieren mit 2 bis 5 Umdrehungen pro Minute (rpm) und eine typische Benetzungsrate beträgt 0,6 bis 2,4 m³/h. Bei zu niedriger Benetzungsrate dringt das Wasser nicht gleichmäßig in die Tiefe des Filterbetts ein, was Kanalbildung verursacht und als Brutstätte für Fliegen dient sowie Geruchsprobleme schafft. Niedrigbelastete Filter arbeiten mit natürlicher Belüftung, während hochbelastete Filter Zwangslüfter benötigen, um ausreichende Belüftung zu gewährleisten.

Dem Tropfkörper folgt ein Nachklärer. Tropfkörper werden nach organischer und hydraulischer Belastung klassifiziert: niedrige Rate, intermediär, hohe Rate, Rauhfilter und superhohe Rate. Vorteile eines Tropfkörpers sind: (i) geringere Energieanforderungen als ASPs, (ii) einfache Bedienung ohne MLSS-Inventarsteuerung und Schlammabwurf, (iii) bessere Erholung von Schockgiftbelastungen, (iv) keine Probleme mit Schlammaufschlämmung in Nachklärern, (v) kompakt und geeignet für standortbeschränkte Orte, (vi) geringerer Wartungsbedarf, effektiv bei Behandlung hoher Organikkonzentrationen abhängig vom Medientyp, und (vii) bessere Schlamm-Eindickungseigenschaften. Nachteile sind organische Belastungsgrenzen, dass die Ablaufwasserqualität (in Bezug auf BSB und TSS) niedriger ist als beim ASP und weitere Behandlung benötigen kann, Geruchsprobleme, Fliegen, Anfälligkeit für Verstopfung des Filtermediums und dass bei niedrigen Temperaturen natürliche Belüftungssysteme nicht gut funktionieren.

Moving Bed Bioreactor (MBBR)

Der Moving Bed Bioreactor (MBBR) wurde in den 1980er Jahren von Kaldnes in Skandinavien entwickelt. Der MBBR-Prozess ist ein moderneres Festfilmverfahren, bei dem Mikroorganismen auf Kunststoffmedien wachsen. Die Medien bestehen aus hochdichtem Polyethylen oder Polypropylen mit einem Durchmesser von 13 bis 25 mm und bieten somit eine große Oberfläche, auf der die Biomasse im Inneren der Oberfläche wachsen kann und sich aufgrund der von unten in den Behälter geblasenen Druckluft in konstanter Bewegung befindet. Der Prozess wurde in einer Vielzahl industrieller Abwasserbehandlungsanwendungen in aeroben und anaeroben Modi mit oder ohne Denitrifikation angewendet, abhängig vom Mischmodus.

Vorteile des MBBR sind: gut für hohe organische Belastungsanwendungen, verbesserte Absetzeigenschaften, keine Notwendigkeit für Schlammrückführung aus dem Nachklärer – was es zu einem „Once-Through“-Prozess macht, kompakt und geringer Fußabdruck im Vergleich zum ASP-Verfahren und modulare Bauweise. Er kann auch bestehende ASP-Systeme nachrüsten, benötigt weniger Betriebssteuerungen als ASPs und enthält weniger mechanische und instrumentelle Steuerungen im Vergleich zu einem MBR-System. Eine typische hydraulische Verweilzeit für MBBR beträgt 2 bis 3 Stunden, verglichen mit 12 bis 24 Stunden für ASPs. Nachteile von MBBRs im Vergleich zum ASP sind: höherer Sauerstoffbedarf, Notwendigkeit verbesserter Zulauf-Abwassersiebung und zusätzliche hydraulische Profil-Verlustdrücke durch Strömung durch die Mediensiebvorrichtungen.

Membranbioreaktor (MBR)

Obwohl externe Membranbioreaktoren ursprünglich in den 1960er Jahren entwickelt wurden, wurden sie erst nach der Entwicklung getauchter (submerged) MBRs Ende der 1980er Jahre populär. Die niedrigeren Betriebskosten der getauchten MBR-Konfiguration und die sinkenden Membrankosten haben MBRs zu einer beliebten Wahl für kommunale und industrielle Abwasserbehandlung gemacht. MBRs werden für industrielle Abwässer mit BSB von 5.000 bis 40.000 mg/l bei BSB-Bereichen von 200 bis 600 mg/l eingesetzt. Abb. 6 zeigt das Prinzip des Membranbioreaktors.

Abb. 6 Prinzip des Membranbioreaktors

Die Qualität des endgültigen Ablaufs aus einem konventionellen ASP-Gerät hängt stark von den hydrodynamischen Bedingungen im Nachklärer und den Absetzeigenschaften des Schlamms ab. Dies führt zu variabler Leistung. Daher werden große Nachklärer mit langen Verweilzeiten benötigt. Der MBR-Prozess wurde entwickelt, um diese Nachteile konventioneller ASPs zu beseitigen.

MBRs sind Hybridverfahren mit zwei voneinander abhängigen Behandlungsprozessen: biologische Behandlung und Membranbehandlung (Abb. 5). Sie ähneln einem konventionellen ASP darin, dass beide Belebtschlamm in Suspension in einem Belüftungsbecken haben. Der Unterschied liegt in der Methode der Biofeststofftrennung. Im MBR-Prozess schaffen die Membranen eine feste Barriere für Biofeststoffe basierend auf Mikrofiltration (MF) mit einer Porengröße von 0,6 Mikrometer oder Ultrafiltration mit einer Porengröße von 0,04 Mikrometer und unterliegen daher nicht den Schwerkraftabsetzeigenschaften der Feststoffe. Somit vereint eine MBR-Einheit Belüftung, Klärung und Filtration in einem einzigen Schritt mit MLSS-Konzentrationen von 20.000 mg/l oder höher, was zu einem kleineren Fußabdruck als bei konventionellen ASP-Einheiten führt.

MBRs liefern eine endgültige Ablaufqualität unabhängig von den Schlammbedingungen mit höherer Entfernung von Organika und persistenten Schadstoffen sowie Nährstoffen bei CSB-Entfernung von 98 % und Schwebstoffentfernungseffizienz von 100 %. Der hochwertige erzeugte Ablauf ist ideal für Wiederverwendungsanwendungen. Ein weiteres Merkmal von MBRs ist das lange Schlammalter. Dies trägt jedoch auch zur Membranverunreinigung bei. Zudem können MBR-Einheiten direkt an eine Umkehrosmoseanlage (RO) angeschlossen werden, wodurch der Bedarf an Ionenaustausch oder anderen Geräten zum Schutz einer Membrananlage entfällt, sofern Härte- oder Skalierungsverbindungen nicht übermäßig sind.

Es gibt zwei Arten von MBR-Konfigurationen: getaucht und Side-Stream. Getauchte Systeme sind in großen Industrieanlagen häufiger, während Side-Stream auf kleinere Einheiten beschränkt ist. Es gibt auch Unterschiede bei den eingesetzten Membranen: Hohlfaser, Flachplatte und Röhre. Getauchte MBRs verwenden Hohlfaser oder Flachplatte, während Röhrenmembranen in Side-Stream MBRs verwendet werden. MBR erzeugt ein äquivalentes Behandlungsniveau wie ein Belebtschlammverfahren gefolgt von Mikrofiltration oder Ultrafiltration.

Trotz der Vorteile von MBRs gibt es noch Herausforderungen bei der Verwendung in industriellen Anwendungen. Vorteile von MBR sind: (i) 25 % geringerer Fußabdruck, (ii) ersetzt Nachklärer und Schwerkraftfilter konventioneller Systeme, (iii) ideal für standortbeschränkte Standorte und niedrigere hydraulische Verweilzeit von 4 bis 8 Stunden. MBR bietet eine undurchdringliche Barriere für Feststoffe und erzeugt höchste Ablaufqualität mit BSB unter 5 mg/l und Trübung unter 0,1 NTU (Nephelometrische Trübungseinheit). Membranverunreinigung ist eine der größten Herausforderungen, die zu reduzierter Leistung und häufiger Reinigung oder Membranersatz führt, was erhöhte Wartungs- und Betriebskosten nach sich zieht. Alle MBRs erfordern mindestens Feinsiebe von 3 mm. Der produzierte Schlamm kann schwer zu entwässern sein. Die Schlammverweilzeit ist unabhängig von der hydraulischen Verweilzeit. Hohes Schlammalter von 15 bis 140 Tagen kann erreicht werden. Es bietet modulare Erweiterbarkeit, weniger Geruch und flexiblen Betrieb mit geringerer Anfälligkeit für Störungen. Der Prozess kann automatisiert werden.

Sekundärnachklärer

Der Zweck des Nachklärers ist zweifach: Einerseits die Eindickung der Feststoffe nach biologischer Behandlung und deren Absetzen. Andererseits die Erzeugung eines klaren Ablaufs der abgesetzten Feststoffe. Nachklärer in Belebtschlammsystemen müssen nicht nur für hydraulische Überlaufraten, sondern auch für Feststoffbelastungsraten ausgelegt werden. Dies liegt daran, dass in Belebtschlamm-Nachklärern sowohl Klärung als auch Eindickung erforderlich sind. Der wichtigste Prozessparameter ist das Schlammalter oder die mittlere Zellverweilzeit. Ein weiterer wichtiger Steuerparameter ist die Feststoffbelastungsrate, definiert als die erforderliche Oberfläche für geeignete Schlamm-Eindickung im unteren Teil der Einheit (Kompressionszone). Die Nachklärer sind entweder rechteckig oder kreisförmig ausgelegt.

Tertiärbehandlung

Konventionelle Sekundärbehandlung ist häufig nicht ausreichend, um die erforderlichen Ablaufqualitätsstandards für die Einleitung in Oberflächengewässer zu erfüllen. Die Abläufe können tertiäre Prozesse benötigen, um die Feststoff- und organische Stoffentfernung abzuschließen, für Farbreduktion oder Abbau recalcitranter Verbindungen, Nährstoffreduktion und Desinfektion. Die persistenten Schadstoffe, die die Sekundärbehandlung nicht entfernen kann, werden durch den Tertiärbehandlungsprozess entfernt. Diese Prozesse werden als „tertiäre Behandlungen“ klassifiziert, da sie nach der Sekundärbehandlung installiert werden, aber einige von ihnen, wie Oxidationsprozesse, können auch vor der biologischen Behandlung platziert werden, um die Bioabbaubarkeit recalcitranter Verbindungen zu verbessern.

Bevor das gereinigte Abwasser wiederverwendet, recycelt oder in die Umwelt eingeleitet wird, wird der tertiäre Behandlungsprozess als finale Reinigungsstufe eingesetzt, um die Abwasserqualität zu verbessern. Zur Entfernung von Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor), Entfernung von Toxinen [Pestizide, VOC & Metalle] und zur Polierung des Ablaufs wie BSB & TSS werden tertiäre Behandlungsprozesse verwendet. Diese Prozesse sind die Erweiterung der konventionellen sekundären biologischen Behandlung zur weiteren Stabilisierung der sauerstoffzehrenden Stoffe im Abwasser und zur Entfernung von Stickstoff und Phosphor.

Physikalische und chemische Trennverfahren wie Aktivkohleadsorption, Flockung oder Fällung sind die in der Tertiärbehandlung eingesetzten Prozesse. Die häufigsten tertiären Behandlungsanwendungen sind Filtration und Desinfektion sowie – wo anwendbar – Ammoniak- und Phosphorentfernung. Ammoniak ist für Fische giftig und Phosphor verursacht Algenblüten.

Filtration

Filtration ist ein Trennprozess, der darin besteht, ein Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch durch ein poröses Material (Filtermedium) zu leiten, das die Feststoffe zurückhält und den flüssigen Filtratdurchlass ermöglicht. Granulare Medien-Polierfilter werden zur Entfernung von Schwebstoffen im Bereich von 5 bis 50 mg/l eingesetzt. Die häufigsten Filter sind Mehrschichtfilter. Die Qualität des Filtrats hängt von der Größe, Oberflächenladung und Geometrie sowohl der Schwebstoffe als auch des Filtermediums sowie von der Wasseranalyse und den Betriebsparametern ab. Basierend auf dem Medium können Filter kategorisiert werden als: (i) Einmedium (Sand oder Anthrazit), (ii) Zweimedium (Sand und Anthrazit) und (iii) Mehrmedium (Granat, Sand und Anthrazit).

Die häufigsten Filtermedien in der Wasserbehandlung sind Sand und Anthrazit. Die effektive Korngröße für Feinsandfilter liegt im Bereich von 0,35 bis 0,5 mm und 0,7 bis 0,8 mm für Anthrazitfilter. Im Vergleich zu Einmedium-Sandfiltern ermöglichen Zweimedium-Filter mit Anthrazit über Sand eine tiefere Penetration der Schwebstoffe in das Filterbett, was zu effizienterer Filtration und längeren Laufzeiten zwischen Reinigungen führt. Die Auslegungstiefe des Filtermediums beträgt mindestens 0,8 m. Beim Zweimedium-Filter werden die Filter normalerweise mit 0,5 m Sand befüllt, bedeckt mit 0,3 m Anthrazit.

In industriellen Anwendungen sind Filter in Stahl-Druckbehältern untergebracht, deren Innenraum epoxidbeschichtet ist, mit Innenverteilern für die Wasserverteilung und einem Unterdrainagesystem für Filtratsammlung und Rückspülung.

Da das Filtergehäuse für Druckfiltration auf Druckbeanspruchung ausgelegt ist, kann ein höherer Druckverlust für höhere Filterbetten und/oder kleinere Filterkörner und/oder höhere Filtrationsgeschwindigkeiten angewendet werden. Die Auslegungsfiltrationsdurchflüsse liegen normalerweise bei 10 bis 20 m/h und die Rückspülraten im Bereich von 40 bis 50 m/h. Der verfügbare Druck beträgt normalerweise etwa 2 bar bis über 4 bar.

Für Zulaufwasser mit hohem Verunreinigungspotenzial werden Durchflüsse unter 10 m/h und/oder zweistufige Medienfiltration bevorzugt. Wenn der Durchfluss erhöht werden muss, um einen ausgefallenen Filter zu kompensieren, muss die Erhöhung allmählich und langsam erfolgen, um die Freisetzung zuvor abgelagerter Partikel zu verhindern.

Während des Betriebs tritt das zu filternde Zulaufwasser oben in den Filter ein, perkoliert durch das Filterbett und wird unten über das Sammelsystem abgezogen. Periodisch, wenn der Differenzdruckanstieg zwischen Ein- und Auslass des Druckfilters 0,3 bis 0,6 bar beträgt, wird der Filter rückgespült und gespült, um die abgelagerten Stoffe abzutragen. Die Rückspülzeit beträgt normalerweise etwa 10 Minuten. Bevor ein rückgespülter Filter wieder in Betrieb genommen wird, muss er so lange zum Ablauf gespült werden, bis das Filtrat die Spezifikation erfüllt. Übermäßige Rückspülraten führen zu Filtermedienverlust.

Varianten der Tiefbettfiltration sind Hochratefiltration, die bei deutlich höheren Zulaufdurchflüssen arbeitet. Neben Medienfiltern werden auch Scheibenfilter und Patronenfilter eingesetzt. Diese dienen auch zum Schutz von Membranfiltrationssystemen. Scheibenfilter aus gefaltetem Tuchmedium haben sehr hohe Durchflussraten und einen kleinen Fußabdruck, erzeugen sehr hochwertiges Wasser, das für Wiederverwendungsanwendungen geeignet ist, und benötigen keine umfangreiche Rückspülung.

Einige fortschrittliche Wasserbehandlungsprozesse werden auch als tertiäre Behandlung eingesetzt. Diese Prozesse werden auf konventionell behandeltes Abwasser angewendet, um die Qualität auf einen für verschiedene Recycling- und Wiederverwendungsanwendungen einschließlich Trinkwasserrückgewinnung geeigneten Grad zu verbessern. Zu den zusätzlichen tertiären Behandlungsprozessen gehören verschiedene Membranbehandlungsprozesse wie Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, weitere Prozesse wie Umkehrosmose, fortschrittliche Oxidationsprozesse und zusätzliche Desinfektionsprozesse wie Ozonierung und Ultraviolettstrahlung. Einige dieser fortschrittlichen Prozesse werden im Folgenden beschrieben.

Membrantechnologie

Membranen sind seit ihrem Aufkommen in den 1960er Jahren eine beliebte Wahl für Wasserrückgewinnungsanwendungen. Die Kosten von Membransystemen haben sich drastisch reduziert und, gekoppelt mit technologischen Fortschritten im Membrandesign, den Membranoptionen und Betriebsgrenzen, nimmt der Anwendungsbereich in der Wasser- und Abwasserbehandlung rasant zu. Bei der druckgetriebenen Membranfiltration trennen Membranen die Komponenten eines Fluids unter Druck. Die Membranporen, die extrem klein sind, erlauben den selektiven Durchgang von Gelösten. Die Beliebtheit von Membranprozessen resultiert daraus, dass sie sowohl bei der Entfernung gelöster als auch schwebender Feststoffe effektiv sind. Eine breite Palette von Materialien wie Celluloseacetat, Polyamide, Polysulfone, Polypropylen, Nylon, Polyacrylnitril, Polycarbonat, Polyvinylalkohol, Polytetrafluorethylen, Keramik und Metallverbundwerkstoffe werden grundsätzlich zur Herstellung der Membranen verwendet. Die Membranporengröße ist der Parameter für den Selektivitätsgrad einer Membran. Basierend auf der Porengröße gibt es vier Arten druckgetriebener Membranen. Mikrofiltration und Ultrafiltration sind Niedrigdruckanwendungen aufgrund ihrer größeren Porengröße. Nanofiltration benötigt Mitteldruck, und Umkehrosmose benötigt aufgrund der kleineren Porengröße signifikanten Druck, um das Gelöste durch die Membran zu drücken.

Fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOP)

Fortgeschrittene Oxidationsprozesse (AOPs) sind als Prozesse definiert, die die Erzeugung und Nutzung starker, aber relativ unselektiver Hydroxylradikale in ausreichenden Mengen beinhalten, um die Mehrheit der komplexen Chemikalien im Ablaufwasser oxidieren zu können. AOPs zeigen spezifische Vorteile gegenüber konventionellen Behandlungsalternativen, da sie nicht-biologisch abbaubare organische Komponenten eliminieren und die Notwendigkeit der Entsorgung von Restschlamm vermeiden. Nach Fluor ([V (Volt) = -3,06]) haben Hydroxylfreiradikale (OH-) das höchste Oxidationspotenzial (V = -2,86). Im AOP-Prozess werden OH-Radikale erzeugt, die wiederum mit organischen Molekülen reagieren, um CO2 und Wasser zu erzeugen. AOPs lassen sich in zwei Gruppen einteilen: nicht-photochemische AOPs und photochemische AOPs. Photochemisch bedeutet, dass eine Lichtquelle benötigt wird. Normalerweise wird Ultraviolett (UV) Licht als photochemische Quelle verwendet. Niederdruck-UV-Lampen haben eine Wellenlänge von 254 nm. Maximale Ozonabsorption findet bei einer Wellenlänge von 253,7 nm statt. Bei den nicht-photochemischen Technologien sind die in der Behandlung am häufigsten vertretenen: Ozonierung, Ozon/(H2O2) und Fentonsche Reaktion.

Ozonierung

1785 entdeckt, ist Ozon (O3) ein weit verbreitetes starkes Oxidationsmittel (-2,07 V) für die Desinfektion von Trinkwasser und Abwasser, Entfärbung, Geruchsbeseitigung, Organikabbau und Cyaniddestruktion etc. O3 ist bei Raumtemperatur ein bläulich stechendes Gas, schwer löslich in Wasser, hochkorrosiv, giftig und explosiv, wenn die Konzentrationen in der Luft 20 % überschreiten. Als Keimtötungsmittel ist es 3.125-mal schneller als Chlor. Die Ozonierungswirksamkeit steigt mit hohem pH und Temperatur. Wenn O3 sich in Wasser oder Abwasser löst, kann es als O3-Molekül verbleiben (bei pH über 7 und langsamerer Reaktion) oder zerfallen (bei pH über 8) und das Hydroxylfreiradikal (OH-) erzeugen, das ein 35 % stärkeres Oxidationsmittel als O3 ist. Beide Reaktionen erfolgen gleichzeitig, weshalb die Reaktionskinetik stark von den Eigenschaften des behandelten Abwassers abhängt (z. B. pH, organische Konzentrationen, Vorhandensein von Schaumbildnern und Tensiden, Ozonkonzentration und Temperatur etc.). Ein pH von 8 bis 10 ist am besten für die Oxidation organischer Verbindungen geeignet. Ozon ist schwer löslich in Wasser und nimmt mit steigender Temperatur schnell ab. Bei 20 °C beträgt die 100 %ige Ozonlöslichkeit in Wasser 570 mg/l. Der bevorzugte Temperaturbereich liegt zwischen 25 °C und 50 °C.

Ein vereinfachter Reaktionsmechanismus von Ozon bei hohem pH wird durch die Gleichung 3 O3 + H2O = 2 OH-Radikale + 4 O2 gegeben. Molekulares O3 ist ein sehr selektives Oxidationsmittel. Es reagiert nur mit bestimmten Verbindungen und kann deshalb in niedrigen Dosierungen für industrielle Abwasseranwendungen eingesetzt werden. Es kann auch die schaumbildenden Eigenschaften von Resttensiden hemmen oder zerstören sowie einen guten Teil des CSB oxidieren. Damit verbessert O3 die gesamte biologische Abbaubarkeit des Ablaufs, indem es recalcitrante Verbindungen in leicht abbaubare Verbindungen umwandelt, und kann vor- oder nachgeschaltet einer biologischen Behandlungsanlage angewendet werden. Der Rest-Sauerstoff im Abgas kann in die sekundäre biologische Behandlungsanlage zurückgeführt werden, was den Belüftungsbedarf reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass es die Schlammmasse nicht erhöht.

O3 kann in gasförmiger Form angewendet werden und muss aufgrund seiner instabilen Natur vor Ort aus Luft oder reinem Sauerstoff mittels UV-Strahlung, Elektrochemie oder Koronaentladungsgeneratoren erzeugt werden. O3-Leckmelder sind zu installieren, die akustische und sichtbare Warnungen geben und die Generatoren im Leckfall abschalten. O3 wird in Gegenwart hoher Salzkonzentrationen deaktiviert. Eine Variation dieses Prozesses ist der O3/H2O2-Prozess. Entwickelt zur Reduzierung der O3-Konzentrationen, wirkt H2O2 als Katalysator, der die Fähigkeit von O3 verstärkt, mehr OH-Radikale zu erzeugen. Bei niedrigem pH reagiert H2O2 sehr langsam mit O3, bei hohem pH (alkalische Bedingungen) reagiert es schnell.