Projekt 12170/01

Bau und Optimierung einer Demonstrationsanlage zur Rückgewinnung von Spülwässern

Projektträger

Dr.-Ing. F. SporenbergUmweltschutz und Verfahrenstechnik GmbH
Carolinenglückstr. 35
44793 Bochum
Telefon: 0234/570280

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Rückgewinnung von Spülwässern der oberflächenbehandelnden Industrie mittels Membranverfahren. Bei der Oberflächenbehandlung von Metallen durch den Einsatz von Mischsäuren entstehen verbrauchte Beizlösungen und Spülwässer. Die darin enthaltenen Schadstoffe, wie z.B. Schwermetalle und Eisensalze sowie Hydroxide, müssen abgetrennt, aufbereitet und deponiert werden. Mit den heute verfügbaren verfahrenstechnischen Anlagen können die Probleme der Aufbereitung und einer gleichzeitigen Kreislaufschließung nicht oder nur unzureichend gelöst werden. Bisher wurde die Abwässer neutralisiert und die vorhandenen Metallverbindungen ausgefällt. Das neutralisierte Abwasser enthält jedoch sehr große Salzfrachten, die zu erheblichen Umweltschäden führen können. Daher soll ein Regenerationssystem in Form einer Elektrodialyse mit vorgeschalteter Filtrationsstufe eingesetzt werden. Die Anwendung einer Modulbauweise ermöglicht eine flexible Anlagengestaltung und erleichtert die Übertragbarkeit. Primärziel ist eine weitestgehende Abwasserreduzierung und Weiternutzung des Wassers. Weitere angestrebte Merkmale sind: geringer Energieverbrauch für die Aufbereitung der Spülwässer, geringe Umweltbelastung, Chemikalieneinsparung gegenüber einem Neutralisationsverfahren, hohe Zuverlässigkeit, einfache Handhabung und Anpassungsmöglichkeiten an unterschiedliche Durchflussmengen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAnhand realer, mit Störstoffen belasteter Spülwässer aus Betrieben der Edelstahlherstellung und der Ferrostahlherstellung war deren Aufbereitung mit praxisnahen Versuchen zu erproben. Mit einem zweistufigen Anlagenkonzept sollten die aus den Metallbehandlungsbädern in das Spülbad verschleppten Störstoffe abgeschieden werden und zugleich ein möglichst hoher Anteil gereinigtes Spülwasser in ausreichender Qualität in den Prozess zurückgeführt werden. Die Aufgabenstellung umfasst Planung und Bau der Technikumsanlage, die Durchführung der Regenerationsversuche mit Spülwasser aus Edelstahlherstellungsbetrieben und einem Stahlbetrieb sowie die Auswertung der Ergebnisse. Abschließend war eine Überarbeitung der Anlagenkonzepte sowie eine Erarbeitung von technischen Unterlagen mit Ziel einer Praxiseinführung der neu entwickelten Spülwasserreinigungstechnologie vorgesehen. Bei der Spülwasseraufbereitung durch Elektrodialyse ist insbesondere bei calziumreichen Spülwässern eine Feststoffabscheidung und evtl. Belagbildung ein großes Problem. Deshalb und zur Effizienzsteigerung sowie Verminderung des Energiebedarfs wurde eine Filtration vorgeschaltet. Erprobt wurden zwei Verfahren, eine Mikrofiltration im Cross-Flow-Verfahren und eine Nanofiltration. Das derart vorbehandelte Spülwasser wurde danach mit der Elektrodialyse weiter aufgereinigt. Der Betrieb erfolgte weitgehend automatisiert mit regelmäßiger Probennahme und Kontrolle der Betriebsdaten. Der Reinigungserfolg wird primär über Leitfähigkeitsmessungen bestimmt. Messungen von Spannung und Stromstärke ergaben den Energieverbrauch für die Elektrodialyse. Die Ergebnisse wurden für eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und auch einen Kostenvergleich für verschiedene Reinigungsverfahren verwendet.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden Spülwässer aus verschiedenen Beizanlagen, insbesondere aus dem Edelstahl- und Ferrostahlbereich untersucht und regeneriert. Im ersten Versuchsabschnitt wurden Spülwässer mittels Elektrodialyseanlage mit vorgeschalteter Mikrofiltrationsstufe regeneriert. Die Ergebnisse zeigten relativ geringe Betriebskosten von ca. 2,50 DM/m³ für schwach beladene Abwässer. Jedoch wurde eine Fällung von Sedimenten bei bestimmten Versuchschargen festgestellt. Um die Probleme zu lösen, wurde eine Nanofiltrationsanlage statt einer Mikrofiltration vorgeschaltet.
Aus den Ergebnissen geht hervor, dass in der Nanofiltrationsanlage die Leitfähigkeit reduziert wird. Bei mehrstufigerer Behandlung wird bereits im ersten Durchlauf die Leitfähigkeit erheblich reduziert. Im zweiten Durchlauf ist die Reinigungsleistung deutlich geringer und nimmt in den nachfolgenden Durchläufen noch weiter ab. Bei der Ermittlung der optimalen Versuchsparameter war anhand der Messwerte und Analysenergebnisse der Nanofiltrationsversuche ersichtlich, dass bei Variation des Betriebsdrucks zwischen den Messungen bei niedrigen und denen bei höheren Drücken keine nennenswerten Unterschiede in der Permeatzusammensetzung auftraten. Dieses wird durch die gemessenen Leitfähigkeitswerte belegt. Bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt sich allerdings, dass die meisten Vorteile bei den Versuchsreihen mit höherem Druck liegen. Dazu zählt als erstes der geringere Konzentratvolumenstrom, als zweites die kürzere Behandlungsdauer und als drittes der niedrigere Stromverbrauch.
Durch zahlreiche Messreihen wurden die Erkenntnisse bezüglich der Leistungsfähigkeit der Nanofiltration bestätigt. Auch die Elektrodialyse konnte einwandfrei durchgeführt werden und bestätigte die guten Re-sultate. Ein erstmals erprobter Einsatz des Nanofiltrationskonzentrates im Elektrodialysenkreislauf ist problemlos durchführbar und ermöglicht eine weitere deutliche Volumenreduzierung des Restkonzentrates. Selbst bei den höheren Konzentrationen traten keinerlei Störungen auf. Die Überprüfung der Leis-tungsfähigkeit erfolgte in zwei Messreihen mit nur einem Nanofiltrationsdurchlauf zur Vorbehandlung. Dabei wurden sowohl Permeat als auch Konzentrat behandelt, um die Abwassermenge weiter zu reduzieren. Mit der Nanofiltration konnte dabei die Anfangsleitfähigkeit von 1460 µS mit einem Durchlauf auf 667 µS reduziert werden. In der direkt nachfolgenden Elektrodialyse konnte die Leitfähigkeit auf letztlich 20 µS reduziert werden. Dabei traten keinerlei Schwierigkeiten auf, so dass die Leistungsfähigkeit dieses Kombinationsverfahrens als überaus positiv bezeichnet werden kann. Die Analysenergebnisse zeigen eine Reduzierung der einwertigen Ionen mit der Nanofiltration um 80 bis 85 %. Die besonders störenden mehrwertigen Metalle konnten sogar um 95 bis 98 % reduziert werden. Mit der nachgeschalteten Elektrodialyse konnten die einwertigen Ionen um weitere 85 bis 95 % und die mehrwertigen Ionen um 60 bis 70 % vermindert werden. Insgesamt erreichte das Kombinationsverfahren somit eine Reduzierung der einwertigen Ionen um 98 bis 99 % und der mehrwertigen Schwermetalle um 99,1 bis 99,7 %. Hiermit erscheint das Verfahren für breite Bereiche der metallbearbeitenden Industrie, insbesondere für die Ferrostahl- und Edelstahlherstellung geeignet.
Bilanzierend lässt sich feststellen, dass durch die zweistufige Aufbereitung mit der Kombination aus Nanofiltration und Elektrodialyse eine deutliche Reduzierung der Abwassermenge erzielt werden konnte. Es wurde hochwertiges Permeat und eine geringe Menge an hochbelastetem Konzentrat erzeugt.Auch im Vergleich mit anderen Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren bietet das Kombinationsverfahren wirtschaftliche Vorteile. Verglichen mit dem Standardverfahren ist der finanzielle Vorteil enorm. Neben den deutlich niedrigeren Verfahrenskosten liegt ein weiterer Vorteil in der Kreislaufführung des Betriebswassers, die beim Standardverfahren nicht möglich ist. Folglich muss beim Einsatz des Kombinationsverfahrens auch wesentlich weniger frisches Wasser aus dem öffentlichen Wassernetz entnommen werden. Somit sind auch die ökologischen Vorteile beachtlich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren zur Rückgewinnung von Spülwässern wurde auf der Messe ENVITEC in Düsseldorf vom 14.05. - 18.05.2001 präsentiert.


Fazit

Das erprobte Verfahren besteht aus einer Elektrodialyse und vorgeschalteter Nanofiltrationsanlage und ist eine ökologisch und ökonomisch günstige Alternative zu herkömmlichen Verfahren in der oberflächenbehandelnden Industrie. Die im Vorhaben erzielten Ergebnisse werden für die Planung von industriellen Anlagen verwendet zwecks Schließung des Wasserkreislaufs und zur Abwassermengenreduzierung.