Analyse und Charakterisierung von Industrieabwässern

• 1. Charakterisierung von Industrieabwässern
• 2. Probenahme
• 3. Abwasseranalyse
• 4. Laborversuche und -prüfungen                   
• 5. Definition und Beschreibung des geeigneten Verfahrens: Aufbereitungslinie
• 6. Dimensionierung von Anlagen zur Abwasserbehandlung
• 7. Schlussfolgerungen

1. Charakterisierung von Industrieabwässern

Die bei industriellen Tätigkeiten anfallenden Abwässer müssen ordnungsgemäß behandelt werden, um die geltenden Vorschriften hinsichtlich der Einleitung von Abwässern und des Umweltschutzes einzuhalten.

Die korrekte Charakterisierung des Abwassers ist der erste Schritt, um die ordnungsgemäße Auslegung einer Kläranlage zu gewährleisten. Die Qualität und Zuverlässigkeit der vorab durchgeführten Analysen und Untersuchungen haben direkten Einfluss auf:

• Die Auswahl des Verfahrens und der Technologien.
• Die Dimensionierung der Anlagen.
• Die Endleistungen der Anlage.

Unzureichende Kenntnisse über das Abwasser können zu ineffizienten Anlagenkonzepten, Betriebsproblemen und Schwierigkeiten bei der Einhaltung der gesetzlichen Einleitungsgrenzwerte führen.

Die Konfiguration und Komplexität der Aufbereitungsanlage hängen von Faktoren wie den folgenden ab:

• Die physikalisch-chemische und biologische Zusammensetzung der Einleitungen.
• Die Variabilität der Produktionsprozesse.
• Die Anforderungen, die am Endpunkt der Entladung oder Wiederverwendung gestellt werden.

Jede Branche weist ihre eigenen Besonderheiten auf, die sich aus ihren Rohstoffen, Herstellungsverfahren, Hilfsstoffen und Reinigungsvorgängen ergeben.

Der Charakterisierungsprozess beginnt in der Regel mit der Ermittlung der Durchflussmengen der verschiedenen Zuflüsse, aus denen sich der Gesamtabfluss zusammensetzt. Dazu werden direkte Messungen mit Durchflussmessern, Wasserbilanzen und historische Daten zum Wasserverbrauch herangezogen.

Zudem ist es unerlässlich, über Informationen zu verfügen, die von der Industrie selbst bereitgestellt werden und sich auf den Prozessverbrauch, Reinigungswasser, Kühlkreisläufe, interne Umwälzsysteme, Produktionsschichten und mögliche saisonale Schwankungen beziehen.

Anschließend erfolgt die Probenahme aus den verschiedenen Abwasserströmen. Diese Arbeit kann mithilfe automatischer oder manueller Systeme durchgeführt werden, wobei stets darauf zu achten ist, dass die entnommenen Proben repräsentativ für die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Anlage sind. In dieser Phase werden besonders verschmutzte Abwasserströme, trennbare Abwässer sowie mögliche Optionen zur Minimierung oder Wiederverwendung von Wasser identifiziert. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die effizienteste Aufbereitung stets diejenige ist, bei der das Volumen und die Schadstoffbelastung des anfallenden Abwassers bereits im Vorfeld reduziert werden.

Schließlich sind alle ergänzenden Informationen zu Produktionsstörungen, Sonderreinigungen, punktuellen Einleitungen oder der Verwendung bestimmter Chemikalien von großer Bedeutung, um die Eigenschaften des Abwassers korrekt zu bestimmen und eine angemessene Auslegung der künftigen Kläranlage zu gewährleisten.

2. Probenahme

Die Probenahme ist ein wesentlicher Schritt im Rahmen der Charakterisierung von Industrieabwässern, da die Gültigkeit und Repräsentativität der nachfolgenden Analyseergebnisse in hohem Maße davon abhängt. Eine unsachgemäß entnommene oder gelagerte Probe kann zu falschen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Beschaffenheit des Abwassers und damit zu ungeeigneten Entscheidungen bei der Auslegung der Kläranlage führen.

Je nach den Eigenschaften des Abwassers und den angestrebten Zielen gibt es verschiedene Probenahmemethoden.

Automatische Probenahmesysteme sind besonders in Anlagen mit starken Schwankungen bei Durchflussmengen oder Schadstoffen zu empfehlen, da sie menschliche Fehler minimieren und eine höhere statistische Zuverlässigkeit der entnommenen Proben gewährleisten. Unter bestimmten Umständen werden jedoch weiterhin manuelle Probenahmen durchgeführt, insbesondere bei Voruntersuchungen oder an schwer zugänglichen Einleitungsstellen.

Bei der punktuellen oder momentanen Probenahme wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Probe entnommen; diese Methode wird in der Regel angewendet, wenn die Eigenschaften der Einleitung relativ konstant bleiben oder wenn ein bestimmter Vorfall festgestellt werden soll.

Da jedoch viele Industrieabwässer im Laufe des Produktions Tages erhebliche Schwankungen aufweisen, wird in der Regel auf eine Mischprobenahme zurückgegriffen, bei der verschiedene Proben, die über einen bestimmten Zeitraum entnommen wurden, zusammengefasst werden – in der Regel proportional zum Durchfluss.

Die durchflussproportionale Probenahme ermöglicht eine wesentlich genauere Erfassung der tatsächlich eingeleiteten Schadstofflast, da sie das entnommene Probenvolumen mit dem momentanen Durchfluss des Abwassers in Beziehung setzt. Dieses Verfahren wird in der Regel mit programmierbaren automatischen Geräten durchgeführt, die Proben in festgelegten Zeitintervallen oder in Abhängigkeit von Signalen von Durchfluss-, Füllstands- oder physikalisch-chemischen Messgeräten entnehmen können.

Die Probenahme wird in der Regel durch die Installation spezieller Probenahmeschächte, Kühl- und Konservierungsanlagen, Durchflussmesser sowie Inline-Sensoren für Parameter wie pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur, Trübung oder gelösten Sauerstoff ergänzt.

Die richtige Auswahl der Probenahmestelle ist von entscheidender Bedeutung; dabei sind Bereiche mit Sedimentablagerungen, übermäßigen Turbulenzen oder unvollständiger Durchmischung zu vermeiden, die die Repräsentativität der Probe beeinträchtigen könnten.

3. Abwasseranalysen

Sobald repräsentative Proben des Abwassers entnommen wurden, werden die physikalisch-chemischen und mikrobiologischen Analysen durchgeführt, die zur Bestimmung der Zusammensetzung des Abwassers erforderlich sind. Diese Analysen müssen in spezialisierten und zugelassenen Laboren unter Einhaltung standardisierter Verfahren und offiziell anerkannter Methoden durchgeführt werden.

Die ordnungsgemäße Aufbewahrung der Proben ist von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit der Analyseergebnisse zu gewährleisten. Im Allgemeinen sollten die Proben bei Temperaturen um 4 °C gekühlt und in geeigneten, dicht verschlossenen und lichtgeschützten Behältern aufbewahrt werden. In bestimmten Fällen kann es erforderlich sein, chemische Konservierungsmittel hinzuzufügen, sofern diese die zu analysierenden Parameter nicht verändern.

Die Kontrolle der Produktkette ist unerlässlich, um die lückenlose Rückverfolgbarkeit der Probe von der Entnahme bis zur Bekanntgabe der Analyseergebnisse zu gewährleisten. Zu diesem Zweck müssen das Datum und die Uhrzeit der Probenahme, der Entnahmeort, die Aufbewahrungsbedingungen sowie die für die einzelnen Vorgänge verantwortlichen Personen ordnungsgemäß erfasst werden.

Die Parameter, die im Industrieabwasser analysiert werden können, sind sehr vielfältig und hängen von der Art der ausgeübten industriellen Tätigkeit ab. Zu den häufigsten zählen:

• Schwebende Feststoffe.
• Öle und Fette.
• Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB).
• Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB5).
• Gelöste Feststoffe,
• Gesamtphosphor.
• Kjeldahl-Stickstoff.
• Waschmittel.
• Schwermetalle.
• Farbe.
• pH-Wert.
• Leitfähigkeit.
• Temperatur.
• In bestimmten Industriezweigen ist es zudem erforderlich, bestimmte toxische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe, Lösungsmittel, Tenside oder pathogene Mikroorganismen zu analysieren.

Zur Durchführung dieser Analysen verfügen die Labore über spezielle Geräte wie pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, Trübungsmessgeräte, Spektralphotometer, Oximeter, Respirometer, Trockenschränke und Filtersysteme.

In einigen Fällen kommen fortschrittliche instrumentelle Verfahren wie Chromatographie oder Spektrometrie zum Einsatz, mit denen bestimmte Schadstoffe in geringen Konzentrationen nachgewiesen werden sollen.

Die gewonnenen Analyseergebnisse bilden die Grundlage für die Festlegung der am besten geeigneten Behandlungsstrategie und ermöglichen es, Stoffbilanzen zu erstellen, Schadstoffbelastungen abzuschätzen und die erwarteten Reinigungsleistungen zu bestimmen.

4. Laborversuche und -prüfungen

Neben der herkömmlichen analytischen Charakterisierung erfordert die Planung einer Kläranlage für Industrieabwässer die Durchführung von Behandelbarkeitsversuchen im Labor. Diese Versuche dienen dazu, die verschiedenen Klärprozesse im kleinen Maßstab nachzubilden und das tatsächliche Verhalten des Abwassers bei verschiedenen Behandlungstechnologien zu bewerten.

Diese Tests ermöglichen:

• Ermittlung der zu erwartenden Wirkungsgrade bei der Beseitigung von Schadstoffen.
• Die Dosierungen der Reagenzien optimieren.
• Die biologische Abbaubarkeit des Abwassers bewerten.
• Die aus technischer und wirtschaftlicher Sicht am besten geeigneten Technologien auswählen.

Zu den gängigsten Versuchen zählen die pH-Prüfung sowie die Koagulations- und Flockungsversuche, mit denen die optimalen Bedingungen für die Abscheidung von Feststoffen und kolloidalen Stoffen ermittelt werden sollen. Innerhalb dieser Versuchsgruppe ist der sogenannte „Jar-Test“ ein grundlegendes Instrument zur Auswahl der wirksamsten Reagenzien und zur Festlegung der am besten geeigneten Dosierungen.

Zudem werden Sedimentations- und DAF-Flotationsversuche durchgeführt, um die Trennleistung hinsichtlich Schwebstoffen und Fetten zu bewerten, sowie Tests zur biologischen Abbaubarkeit, um die Durchführbarkeit aerober oder anaerober biologischer Behandlungsverfahren zu ermitteln.

In Fällen, in denen fortgeschrittene Aufbereitungsverfahren erforderlich sind, werden auch Filtrationstests mit Granulat oder Membranen sowie Versuche zur fortgeschrittenen Oxidation und Desinfektion mittels chemischer Oxidationsmittel oder UV-Strahlung durchgeführt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entsorgung des im Klärprozess anfallenden Schlamms. Zu diesem Zweck werden spezifische Entwässerungstests durchgeführt, die eine geeignete Auswahl der mechanischen Trocknungssysteme (Filterpresse) sowie eine Abschätzung der endgültigen Abfallmenge ermöglichen.

Durch die Durchführung von Pilotversuchen – sowohl im Labor als auch direkt vor Ort beim Kunden – lassen sich die erzielten Ergebnisse validieren und die endgültige Auslegung der Kläranlage präziser anpassen.

5. Definition und Beschreibung des geeigneten Verfahrens: Aufbereitungslinie

Nach Abschluss der Charakterisierungs- und Testphase wird die für das zu untersuchende Abwasser am besten geeignete Aufbereitungsanlage festgelegt. Diese Festlegung stützt sich auf die gewonnenen Analyseergebnisse und die in ähnlichen Anlagen gesammelten technischen Erfahrungen.

Die Konfiguration der Aufbereitungsanlage hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter:

• Die Art der Einleitung.
• Die zu behandelnde Durchflussmenge.
• Die Schwankungen bei der Umweltverschmutzung.
• Die verfügbaren Platzbeschränkungen.
• Die Qualitätsanforderungen für die endgültige Einleitung oder die Wiederverwendung des aufbereiteten Wassers.

In den meisten Fällen beginnt die Behandlung mit einer Vorbehandlungsstufe, die darauf abzielt, grobe Feststoffe, Sand, Fette und andere schwimmende Stoffe zu entfernen, die die nachfolgenden Stufen beeinträchtigen könnten.

Anschließend wird in der Regel ein Homogenisierungs- und Neutralisationssystem eingebaut, das es ermöglicht, Schwankungen im Durchfluss und in der Verschmutzung auszugleichen sowie den pH-Wert auf die für die nachfolgenden Behandlungsschritte geeigneten Werte einzustellen.

Je nach den Eigenschaften des Abwassers kann es erforderlich sein, physikalisch-chemische Behandlungsverfahren anzuwenden, die auf Koagulation, Flockung, Fällung und Flotation mit aufgelöster Luft (DAF) basieren und sich besonders gut zur Entfernung von Schwebstoffen, Ölen, Fetten und kolloidalen Stoffen eignen.

Wenn das Abwasser eine hohe biologisch abbaubare Belastung aufweist, werden aerobe oder anaerobe biologische Verfahren eingesetzt, um die gelöste organische Substanz zu reduzieren. In bestimmten industriellen Anwendungen können fortschrittliche biologische Reaktoren zum Einsatz kommen, wie beispielsweise MBR-Systeme, Nitrifikations- und Denitrifikationsverfahren, MBBR-Verfahren oder fortschrittliche Oxidationstechnologien.

Wenn schließlich hohe Qualitätsanforderungen an das aufbereitete Wasser gestellt werden, kommen tertiäre Aufbereitungsverfahren zum Einsatz, die aus Filtration, Membranen, Aktivkohle oder einer Desinfektion mittels UV-Strahlung oder chemischer Oxidationsmittel bestehen.

Die daraus resultierende Aufbereitungsanlage muss die Einhaltung der festgelegten Einleitungsgrenzwerte gewährleisten und gleichzeitig angemessene Kriterien hinsichtlich Energieeffizienz, betrieblicher Flexibilität und Minimierung der Betriebskosten erfüllen.

6. Dimensionierung von Anlagen zur Abwasserbehandlung

Sobald die Behandlungslinie festgelegt ist, erfolgt die Auslegung und Dimensionierung der Anlagen, aus denen sich die Kläranlage zusammensetzen wird. Diese Dimensionierung erfolgt auf der Grundlage der gemessenen Durchflussmengen, der berechneten Schadstoffbelastungen und der in Labor- und Pilotversuchen erzielten Wirkungsgrade.

Die hydraulische Auslegung berücksichtigt sowohl die mittleren Betriebsdurchflussmengen als auch die zu erwartenden Spitzenwerte und legt die für jeden Einheitsprozess erforderlichen Verweilzeiten fest. Gleichzeitig berücksichtigt die Prozessauslegung die Massenbelastungen durch Schadstoffe, die Schlammbildung sowie den Bedarf an Reagenzien, Luft und Energie.

In dieser Phase werden die Volumina und Abmessungen der Homogenisierungs-, Neutralisations- und Reaktionsbecken sowie die geeigneten Größen der Flotationsanlagen, Dekantierbecken, biologischen Reaktoren, Filter und Schlammentwässerungssysteme festgelegt.

Außerdem werden Pumpengruppen, Rührwerke, Kompressoren, Gebläse und Dosieranlagen für Chemikalien ausgewählt, zusammen mit der gesamten erforderlichen Instrumentierung für die automatische Steuerung der Anlage, einschließlich Durchflussmesser, pH-Messgeräte, Sauerstoffmessgeräte, Redox-Sensoren und Überwachungssysteme mittels speicherprogrammierbarer Steuerungen.

Das Projekt umfasst außerdem die Erstellung der Grund- und Ausführungsplanung, der Bauzeichnungen, der hydraulischen und elektrischen Schaltpläne, der Baupläne sowie die Programmierung der Automatisierungs- und Steuerungssysteme.

Bei der gesamten Planung müssen mögliche saisonale Schwankungen der Produktion, die zukünftige Flexibilität der Anlage sowie die Optimierung der Betriebs- und Wartungskosten berücksichtigt werden, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit gewährleistet sein muss.

7. Schlussfolgerungen

Die Charakterisierung und Analyse von Industrieabwässern ist ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung jedes Abwasserreinigungsprojekts. Die korrekte Ermittlung der Eigenschaften des Abwassers sowie die Durchführung von Behandelbarkeitsversuchen und Pilotversuchen ermöglichen es, technische Lösungen zu definieren, die auf die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Branche zugeschnitten sind.

Die immer strengeren Umweltvorschriften erfordern den Einsatz von immer effizienteren und zuverlässigeren Anlagen, die die Einhaltung der Einleitungsgrenzwerte bei angemessenen Betriebskosten und einem hohen Maß an Nachhaltigkeit gewährleisten können.

In diesem Zusammenhang ist die Kombination aus fachlicher Erfahrung, gründlichen Analysen und sorgfältig ausgewählten Technologien von entscheidender Bedeutung, um robuste und flexible Kläranlagen zu konzipieren, die den aktuellen und zukünftigen Anforderungen im Bereich der industriellen Abwasserbehandlung gerecht werden.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

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