Recycling Aufbereitung holt wertvolle Stoffe aus dem Abwasser zurück

Autor / Redakteur: Stéphane Itasse / Stéphane Itasse

Von wegen dreckige Brühe: Aus Abwasser lassen sich noch viele nützliche Wertstoffe herausholen. Mehrere Forschungsinstitute und Unternehmen haben sich an die Aufgabe gemacht, mit neuen Methoden mehr Rohstoffe und Energie zurückzugewinnen – und dabei die Umwelt zu entlasten.

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Wer sein Abwasser aufbereitet, schützt nicht nur die Umwelt, sondern kann dabei auch Wertstoffe zurückgewinnen.
Wer sein Abwasser aufbereitet, schützt nicht nur die Umwelt, sondern kann dabei auch Wertstoffe zurückgewinnen.
(Bild: jirapong - Fotolia.com)

Ein modulares System, um Molkereiabwasser elektrochemisch zu reinigen, entwickelt beispielsweise das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart mit Partnern aus Forschung und Industrie. Mit einer integrierten Brennstoffzelle soll der bei der elektrochemischen Behandlung entstehende Wasserstoff für die Stromversorgung des Systems genutzt werden.

Die Abwässer bei der Herstellung von Milchprodukten wie Käse, Quark und Joghurt enthalten typischerweise organische Verunreinigungen wie Milchzucker, Proteine und Milchfette, dazu Tenside und Desinfektionsmittel aus der Reinigung der Produktionsanlagen. Bei der Käseherstellung entsteht zudem Molke, eine wässrige Lösung, die neben Milchproteinen vor allem Milchzucker enthält.

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Projekt entwickelt elektrochemische Behandlung von Molkereiabwässern

Aufgrund des hohen chemischen und biologischen Sauerstoffbedarfs bereiten große Molkereibetriebe ihr Abwasser mit biologischen Klärstufen auf. Vor allem kleine und mittelständische Betriebe können die Investitionen in derartige großtechnische Systeme jedoch nicht oder nur unter Schwierigkeiten aufbringen.

In dem von der EU geförderten Vorhaben Rewagen („Electrochemical water treatment system in the dairy industry with hydrogen recovery and electricity production“) entwickelt ein europäisches Konsortium unter Leitung des Fraunhofer-IGB nun ein mehrstufiges Verfahren zur Behandlung dieser Abwässer und der Molke. Durch eine modulare Bauweise soll das System an die Abwassermengen auch kleinerer Molkereien angepasst werden können. „Die einzelnen Verfahrensschritte werden dabei zu einem geschlossenen Prozess kombiniert und integriert. Ziel ist es, dass jeder Prozessschritt einen Stoffstrom liefert, der weiter aufgearbeitet oder ins System zurückgeführt werden kann“, erläutert Alexander Karos, Projektleiter am Fraunhofer-IGB. Das gereinigte Wasser kann direkt wiedergenutzt werden, beispielsweise für die Reinigung der Anlagen.

„Für die Reinigung des Abwassers setzen wir auf elektrochemische Verfahren, weil wir so auf die Zudosierung von Chemikalien und die damit verbundene Aufsalzung des Wassers verzichten können“, führt Karos aus.

Molkereiabwässer werden mit vier Verfahren aufbereitet

Hierzu wollen die Forscher vier verschiedene elektrochemische Verfahren kombinieren. In einem ersten Schritt sollen Öle und Fette mit dem Verfahren der gepulsten Elektrokoaleszenz abgetrennt werden: Fein dispergierte Öltröpfchen bewegen sich im elektrischen Wechselfeld aufgrund ihrer Oberflächenladung und fließen zu größeren Öltropfen zusammen, die mechanisch abgetrennt werden können. Partikuläre Verunreinigungen werden in einem nachfolgenden Schritt mittels Elektroflockung abgetrennt. „Hier setzen wir Eisenelektroden ein. Sie geben Eisenionen ins Wasser ab, die zu Eisenhydroxidflocken reagieren. Mit diesen Flocken adsorbieren und fällen wir organische Feststoffe“, konkretisiert Karos. In einer dritten elektrochemischen Zelle werden mittels elektrooxidativer Prozesse, beispielsweise über eine Diamantelektrode, gelöste organische Bestandteile abgebaut. Und schließlich werden in einer vierten Stufe mit kapazitiver Deionisation auch gelöste Salze entfernt, indem sie an einer entsprechend geladenen Elektrode aufkonzentriert und abgeschieden werden. Einen besonderen Charme erhält das Rewagen-Projekt, indem auch Energie teilweise zurückgewonnen werden kann.

Wasserstoffrückgewinnung bei der Abwasserbehandlung

Der bei der elektrochemischen Behandlung des Wassers durch Elektrokoagulation und Elektrooxidation als Nebenprodukt entstehende Wasserstoff soll ebenfalls genutzt werden. „Den Wasserstoff wollen wir zurückführen und reinigen, sodass wir ihn mittels einer Brennstoffzelle zur Energieversorgung des Systems nutzen können“, verdeutlicht Karos den neuartigen Ansatz. Erste Hochrechnungen der Forscher am Fraunhofer-IGB hätten ergeben, dass sich 10 % des Energieeinsatzes durch die Nutzung des Wasserstoffs einsparen ließen, erläuterte Karos auf Anfrage der nachhaltigen Produktion: „Dies wollen wir natürlich noch verbessern.“

Einer der Forschungspartner beim Rewagen-Projekt ist die Aqon Water Solutions GmbH in Bensheim. Das Unternehmen bietet Geräte an, die mittels der Pulsed Electric Field Technology oder elektrokinetischer Dipolinduktion Wasser und wässrige Prozessmedien wie Emulsionen, Suspensionen, Schleif-, Wasch- oder Prozessabwässer, Brauch- und Betriebswasser, fett- oder ölhaltige Ab- und Prozesswässer aufbereitet.

Innerhalb des Forschungsprojekts Rewagen besteht der Part von Aqon darin, mit gepulster Hochspannung die energiereichen Stoffe aus dem Molkereiabwasser zu separieren. „Wir wollen mit Elektroenergie Fette, Öle und gelöste organische Stoffe aus dem Wasser lösen, ohne Chemie einzusetzen“, erläutert Aqon-Geschäftsführer Marian Wilk im Gespräch mit unserer Redaktion. Die Fettfracht im Molkereiabwasser lässt sich dann als Tierfutter oder zur Energiegewinnung einsetzen. Das elektrokinetische Dipolinduktionsverfahren, auf das Aqon in seinem High Tension System (HTS) setzt, ermöglicht nach Auskunft von Wilk eine weitgehende Fällung oder Flockung organischer Materialien ohne Einsatz von Chemie.

Technik für Metallverarbeiter an Molkereiabwässer angepasst

Das Unternehmen, das bisher eher im Bereich der Metallverarbeitung seine Kunden gefunden hat, muss sein System jedoch für das Rewagen-Projekt weiterentwickeln: „Wir arbeiten hier mit wesentlich höheren Spannungen über 70 kV und wesentlich höheren Frequenzen über 2 kHz“, beschreibt Wilk die Herausforderungen.

Doch auch Metallverarbeiter und Galavanikindustrie sollen seiner Aussage nach vom Aqon-Know-how profitieren können. Dazu wird in einem zweiten EU-Forschungsvorhaben „Ecowama – Wirtschaftlich effizientes Wassermanagement in der industriellen Fertigung (ECO-efficient Management of Water in the Manufacturing Industry)“ eine Weiterentwicklung der Pulsed Electric Field Technology der bisherigen HTS-Systeme vorangetrieben, um zum Beispiel chemielose Emulsionsspaltung und Abwasserbehandlung zu realisieren. „Im Bereich der Emulsionspflege, wenn mit einem Emulgatorenüberschuss gefahren wird, können damit einemulgierte Öle und feinste Feststoffstrukturen besser aus der Emulsion oder dem wässrigen Prozessmedium getrennt werden. Das würde 80 bis 90 % weniger Fällungs- und Flockungsmittel bei der Abwasserbehandlung bedeuten und die Standzeit von Prozessmedien wesentlich erhöhen“, erläutert Wilk.

Umweltschutz bei den Flockungsmitteln ist auch ein Thema für das Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.: Neue biobasierte Flockungsmittel sollen eine effiziente und umweltfreundliche Wasseraufbereitung ermöglichen. Als Flockungsmittel setzen die sächsischen Forscher auf wasserlösliche Polymere, so genannte Polyelektrolyte, und hier vor allem auf solche, die biologisch abbaubar und toxisch unbedenklich sind. Bei diesen Polymeren handelt es sich um langkettige Kohlenwasserstoffe, die Ladungen in der Polymerkette tragen.

Biobasierte Flockungsmittel zielgerichtet optimiert

Basierend auf Grundlagenuntersuchungen sowie Kooperationen mit Partnern in Forschung und Industrie sind die Wissenschaftler um Dr. Simona Schwarz in der Lage, aus der breiten Palette an verfügbaren Flockungsmitteln das jeweils passende zu finden beziehungsweise zielgerichtet für eine Anwendung zu optimieren, zum Beispiel in der Abwasser- und Mineralienaufbereitung, der Schwermetallabtrennung oder bei der Trennung öl- und fetthaltiger Abwässer, wie das Institut berichtet. Von Interesse sind hier vor allem die molaren Massen und die Art und Menge der Ladungen der Polymere, da diese Größen einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz der Abtrennung unerwünschter Stoffe in Abwässern haben.

Hinzu kommen weitere variierbare Eigenschaften, wie wasserabweisendes Verhalten, das sich durch Einbringen zusätzlicher Gruppen in das Polymermolekül einstellen lässt. Es konnte laut Institut nachgewiesen werden, dass natürliche Polymere wie Chitosan, Stärken und Pektine bei Trennprozessen eine viel versprechende Alternative zu synthetischen Polymeren sind. Chitosan ist ein Abkömmling des Chitins, das aus den Panzern von Krustentieren wie Krabben oder Käfern gewonnen wird. Stärken kommen in vielen Pflanzen wie Kartoffeln und Mais vor und Pektine werden aus Früchten, zum Beispiel Äpfeln und Zitronen, gewonnen. Dank ihres natürlichen Ursprungs sind diese Produkte ungiftig, abbaubar und umweltfreundlich, wie es heißt.

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