Abscheidung von Ölen und Fetten mittels DAF-Systemen

• 1. Behandlung von Abwasser mit Ölen und Fetten
• 2. DAF-Systeme zur Abscheidung von Ölen und Fetten aus Abwasser
• 3. Abscheidung von Ölen und Fetten durch Koaleszenz
• 4. Weitere Technologien zur Entfernung von Ölen und Fetten aus Abwasser
• 5. Schlussfolgerung

Öle und Fette gehören zu den häufigsten Schadstoffen im Abwasser aus industriellen Prozessen. Ihr Vorkommen im Abwasser kann schwerwiegende Schäden für die Umwelt und die menschliche Gesundheit verursachen; daher ist es unerlässlich, die notwendigen Maßnahmen zu ergreifen, um Öle und Fette aus dem Abwasser abzutrennen.

Sie verursachen zudem Leistungsprobleme in Kläranlagen. Zum einen handelt es sich in der Regel um zähflüssige Substanzen, die an Sieben, Behältern, Rohrleitungen, mechanischen Bauteilen und Instrumenten haften bleiben, durch die das Abwasser fließt; was zu Problemen hinsichtlich Effizienz und Wartung führt; andererseits können sie in den Oxidationsbecken zu Sauerstoffmangel führen, wodurch sie die biologische Behandlung der Abwässer erschweren und gleichzeitig die Filtermedien (Filter, Membranen usw.) leicht verstopfen.

1. Behandlung von Abwasser mit Ölen und Fetten

Öle und Fette (FOG) kommen häufig im Abwasser verschiedener Industriezweige vor, wie beispielsweise in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben, Erdölraffinerien oder Kfz-Werkstätten, um nur einige Beispiele zu nennen, und lassen sich biologisch schwerer abbauen als andere im Abwasser enthaltene Stoffe.

Werden diese Öl- und Fettablagerungen nicht vorab entfernt, können sie die Wirksamkeit biologischer und Membranverfahren beeinträchtigen, Verstopfungen verursachen, die Kläranlagen blockieren und ersticken sowie die Fähigkeit der in Abwasserbehandlungsverfahren eingesetzten Mikroorganismen zur Schlammzersetzung verringern.

Daher ist es am effektivsten, Öle und Fette durch eine Vorbehandlung mittels Flotation mit gelöster Luft (DAF) abzuscheiden. Nach dieser Vorbehandlung kann das Abwasser zu weiteren Kläranlagen geleitet werden, wobei sichergestellt ist, dass der Prozess der Nachbehandlung nicht beeinträchtigt wird.

2. DAF-Systeme und Koagulations-Flockungsverfahren zur Abscheidung von Ölen und Fetten aus Abwasser

Die wirksamste Methode ist die Abscheidung von Ölen und Fetten durch eine Vorbehandlung mittels Flotation mit aufgelöster Luft (DAF). Nach dieser Vorbehandlung kann das Abwasser zu weiteren Kläranlagen geleitet werden, wobei sichergestellt ist, dass der Prozess der Nachbehandlung nicht beeinträchtigt wird.

Systeme zur Flotation mit gelöstem Luft (DAF) nutzen das Prinzip des Auftriebs zur Abscheidung von Ölen und Fetten aus dem Abwasser. Der Prozess erfolgt durch Einbringen von Mikro-Luftblasen in das Abwasser, die sich an die Öl- und Fettpartikel anlagern und diese an die Oberfläche treiben; in diesem Fall haben diese Blasen eine Größe von ≤50 µm und sind gleichmäßig im Flotationsbehälter verteilt.

Koagulation und Flockung sind zwei chemische Prozesse, bei denen dem Abwasser Chemikalien zugesetzt werden. Diese Reagenzien neutralisieren die Ladung der Öl- und Fettpartikel, wodurch diese aneinander haften bleiben und größere Klumpen oder Flocken bilden, die durch Flotation aus dem Wasser entfernt werden können.

• Die Koagulation ist der erste Schritt des Verfahrens, bei dem dem Abwasser ein chemisches Koagulierungsmittel zugesetzt wird, in der Regel ein Metallsalz wie Aluminiumsulfat (Alaun) oder Eisen(III)-chlorid. Das Koagulierungsmittel neutralisiert die Ladung der Öl- und Fettpartikel, wodurch diese sich verbinden und kleine Klumpen (Koagulate) bilden. Manchmal ist eine Anpassung des pH-Werts erforderlich, damit dieser und der nachfolgende Prozess ordnungsgemäß ablaufen.                                                                                                                       
• Die Flockung ist der zweite Schritt des Verfahrens, bei dem dem Abwasser ein chemisches Flockungsmittel zugesetzt wird, in der Regel ein hochmolekulares Polymer. Das Flockungsmittel wirkt als Bindemittel und bewirkt, dass sich kleine Öl- und Fettklümpchen miteinander verbinden und größere, schwerere Flocken bilden, die durch DAF-Flotation leichter aus dem Wasser entfernt werden können. Die Flocken bilden eine Schaum- oder Schlammschicht auf der Wasseroberfläche, die abgeschöpft und aus dem System entfernt wird.

DAF-Abscheider eignen sich besonders gut für die Behandlung von Industrieabwässern, die Öle und Fette enthalten, wie sie beispielsweise in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben, petrochemischen Anlagen und anderen Produktionsstätten anfallen. Sie sind zudem nützlich, um andere Arten von Schadstoffen wie Schwebstoffe, Schwermetalle und organische Verbindungen zu entfernen.

Zu den Vorteilen einer Abwasserbehandlung mittels eines DAF-Systems zählen insbesondere die folgenden:

• Hohe Effizienz bei der Entfernung von Ölen und Fetten aus dem Abwasser, in der Regel im Bereich von 90 bis 99 %.            
• Dieses Verfahren bietet eine große Vielseitigkeit bei der Behandlung einer Vielzahl von Abwasserarten und -konzentrationen. Es lässt sich an die spezifischen Eigenschaften des Abwassers anpassen, darunter pH-Wert, Temperatur sowie Art und Konzentration der enthaltenen Schadstoffe.
• Das Koagulations- und Flockungsverfahren erfordert in der Regel geringere Chemikalienmengen als andere Behandlungsmethoden, was zu geringeren Chemikalienkosten und einem geringeren Aufkommen an chemischen Abfällen führt. 
• Das Flotationsverfahren mit gelöstem Luft reduziert zudem die Menge des während des Aufbereitungsprozesses anfallenden Schlamms, was geringere Kosten für die Entsorgung und Behandlung dieses Schlamms sowie eine geringere Umweltbelastung bedeutet.
• Die Betriebskosten des mit einem DAF-System kombinierten Koagulations-Flockungs-Verfahrens sind im Vergleich zu anderen Technologien relativ gering. Dies kann insbesondere für Industriezweige von Vorteil sein, die große Mengen an Abwasser erzeugen und eine kostengünstige Behandlungsmöglichkeit benötigen.
• DAF-Systeme sind relativ einfach zu bedienen und verursachen im Vergleich zu anderen Technologien nur minimale Wartungskosten. Dies kann für Branchen, die eine zuverlässige Aufbereitung mit geringem Wartungsaufwand benötigen, einen erheblichen Vorteil darstellen.

Die Branchen, die am meisten von diesem Prozess profitieren, sind die folgenden:

• Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung: In der Lebensmittelverarbeitung, beispielsweise in der Fleisch- und Milchindustrie, fallen große Mengen an Abwasser mit einer hohen Öl- und Fettbelastung an, das behandelt werden muss.
• Erdölraffinerien: Erdölraffinerien erzeugen große Mengen an ölhaltigem Abwasser, das Kohlenwasserstoffe enthält und vor der Einleitung behandelt werden muss.               
• Herstellung chemischer Produkte: Bei der Herstellung chemischer Produkte können Abwässer entstehen, die ein breites Spektrum an Schadstoffen enthalten, darunter auch Öle.
• Metallverarbeitung: In der metallverarbeitenden Industrie, beispielsweise bei der Metallbearbeitung und -veredelung, fallen Abwässer mit hohem Ölgehalt an, die vor ihrer Einleitung oder Wiederverwendung einer wirksamen Ölabscheidung unterzogen werden müssen. 
• Textilherstellung: Bei der Textilherstellung können ölhaltige Abwässer entstehen, die ein breites Spektrum an Schadstoffen enthalten.
• Zellstoff- und Papierherstellung: Zellstoff- und Papierfabriken erzeugen große Mengen an Abwasser, das Öle aus ihren Produktionsprozessen enthalten kann.
• Automobilbau und Luft- und Raumfahrtindustrie: In Automobilwerken fallen ölhaltige Abwässer aus verschiedenen Prozessen an, beispielsweise bei der Teilereinigung und der Metallbearbeitung.
• Energieerzeugung: Energieerzeugungsanlagen wie Kohlekraftwerke können ölhaltiges Abwasser erzeugen, das vor der Einleitung einer Vorbehandlung bedarf. 
• Bergbau: In der Bergbauindustrie können bei verschiedenen Prozessen, wie beispielsweise der Aufbereitung von Erzen und der Wartung von Anlagen, ölhaltige Abwässer anfallen.                                                           
• Pharmaindustrie. 
• Kunststoffverarbeitung. 
• Herstellung von Farben und Beschichtungen.

3. Abscheidung von Ölen und Fetten durch Koaleszenz

Jeder industrielle Prozess, bei dem pflanzliche oder tierische Produkte zum Einsatz kommen, kann Abwasser mit Ölen und Fetten verursachen. Darüber hinaus fallen durch Schmierstoffe und andere Öle, die in Maschinen und im Transportwesen verwendet werden, ebenfalls große Mengen an Prozess- und Waschabwasser an. Öle und Fette liegen in Form von langkettigen Makromolekülen vor.

Je nach Art des Öls, seiner Herkunft (tierisch, pflanzlich oder mineralisch) und seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften kommen unterschiedliche Trenntechnologien zum Einsatz. So werden für Öle mit geringerer Dichte (ca. 0,8 kg/l) in der Regel einfache Flotationssysteme auf Basis des Dichteunterschieds verwendet, wie beispielsweise API-Abscheider, oder auch Koaleszenzplatten (CPI).

Das Phänomen der Koaleszenz bezeichnet die Eigenschaft von Stoffen, sich zu verbinden oder zu vermischen, um ihre Größe zu vergrößern. Bei ölhaltigen Abwässern handelt es sich beiKoaleszenzplattenoder Ölabscheidern (CPI) um Kunststofffüllkörper, die die physikalische Abscheidung von Kohlenwasserstoffen, Fetten und Ölen aus Abwasserströmen ermöglichen.

Die Platten sind in einem bestimmten Winkel angeordnet, um den Durchfluss der Flüssigkeit zu erleichtern, sodass sich die Ölpartikel an ihren Wänden absetzen und durch Koaleszenz zusammenklumpen können. Anschließend werden die größeren Partikel durch die Strömung der Flüssigkeit an die Oberfläche getragen. Die sich bildende Schicht aus Schaum und Oberflächenfett wird durch ein mechanisches System (Entschäumer) abtransportiert oder abgeschöpft.

Wenn Öl- und Fettpartikel in Form einer Emulsion vorliegen, ist eine chemische Vorbehandlung erforderlich, die aus der Zugabe von Demulgatoren besteht – also oberflächenaktiven Verbindungen –, die bei Zugabe zur Emulsion die Koaleszenz der Öle und Fette begünstigen.

Die Abscheideleistung ist bei der Koaleszenzabscheidung mit Luft deutlich höher.

• Blasengröße: Für eine korrekte Koaleszenzabscheidung mit Luft sollten die entstehenden Blasen eine Größe von weniger als 2 mm haben. Bei kleineren Blasen wird eine bessere Abscheidung erzielt, allerdings muss Druckluft zugeführt und das Gemisch anschließend ordnungsgemäß entspannt werden, um Mikroblasen (≤ 0,5 mm) zu erhalten.
• Abstand zwischen den Diffusoren: Wenn der Abstand zwischen den Diffusoren vergrößert wird, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass die von einem Diffusor erzeugten Blasen mit denen eines anderen Diffusors kollidieren.
• Wasserspiegelhöhe: Wenn die Blasen aufsteigen, neigen sie dazu, eine Luftsäule zu bilden, wobei der Abstand zwischen ihnen sehr gering ist, was die Koaleszenz begünstigt.

Die folgende Grafik (Abbildung 1) zeigt, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blasen mit zunehmender Größe zunimmt, was darauf hindeutet, dass die Kontaktzeit bei kleineren Blasen länger ist.

Je nach Menge der im zu behandelnden Abwasser enthaltenen FOG und deren Verwendungszweck (Zweitbehandlung, Einleitung, Wiederverwendung) kann ein Kavitationsluftsystem (CAF) eingesetzt werden, bei dem eine spezielle Rührschnecke zum Einsatz kommt, die einen Wirbel und damit einen Unterdruck an der Flüssigkeitsoberfläche erzeugt, wodurch deren Oberflächenspannung verringert wird.

Diese Luftblasen verteilen sich im Abflussstrom und bewirken eine Abscheidung der Schadstoffe, da die damit verbundenen Partikel an Schüttdichte verlieren und Öle und Fette miteinander verschmelzen.

Das CAF-System ist kostengünstig, sowohl bei der Installation als auch beim Verbrauch von Reagenzien und Energie, und zudem einfach zu warten. Allerdings liegt seine Effizienz bei der Entfernung von Ölen und Fetten aufgrund der Unregelmäßigkeit, der Anzahl und der Größe der gebildeten Luftblasen bei etwa 60–80 %.

Dieses System wird in der Regel als Vorbehandlung für eine Flotationsanlage mit aufgelöster Luft (DAF) eingesetzt, wenn die Öl- und Fettkonzentration sehr hoch ist oder wenn die Konzentration zwar mittel bis niedrig ist, diese erste Behandlungsstufe aufgrund der Eigenschaften des Abwassers jedoch ausreicht.

4. Weitere Technologien zur Entfernung von Ölen und Fetten aus Abwasser.

Neben den bereits in diesem Artikel erwähnten Systemen CPI, API, CAP und DAF sind noch folgende alternative Systeme zu nennen:

• Schwerkraftabscheidung: Bei der Schwerkraftabscheidung wird der Dichteunterschied zwischen Öl und Wasser genutzt, um beide voneinander zu trennen. Das Verfahren basiert auf der Tatsache, dass Öl und Fett eine geringere Dichte als Wasser haben und, wenn sie in einen Tank oder eine Absetzkammer geleitet werden, an der Oberfläche schwimmen, während das Wasser, da es schwerer ist, auf den Boden sinkt. Sobald sich Öl und Fett abgesetzt haben, können sie mithilfe einer Abschäumvorrichtung von der Oberfläche entfernt werden.                                                                                                            
• Filtration: Die Filtration ist ein weiteres physikalisches Trennverfahren, das zur Entfernung von Ölen und Fetten aus dem Abwasser eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird das Abwasser durch einen Filter geleitet, der die Öle und Fette zurückhält, während das Wasser abfließen kann. Als Filtermedium kann jedes Material verwendet werden, das Öl und Fett zurückhalten kann, wie Sand, Aktivkohle oder Polymerfasern, doch diese verstopfen in der Regel schnell und sind schwer zu reinigen.                                                                                                                                                           
• Chemische Oxidation: Bei der chemischen Oxidation werden Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid, Ozon oder Chlor eingesetzt, die mit Öl und Fett reagieren und diese wasserunlöslich machen. Das Verfahren ist wirksam, kann jedoch kostspielig sein und Nebenprodukte erzeugen, die einer weiteren Behandlung bedürfen.                                                                                  
• Bioremediation: Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem Mikroorganismen in das Abwasser eingebracht werden, die Öle und Fette abbauen können. Die Mikroorganismen nutzen Öle und Fette als Nahrung und wandeln sie in harmlose Nebenprodukte wie Wasser und Kohlendioxid um.                                                                                                                                  
• Bioaugmentation: Dabei werden bestimmte Bakterienstämme oder andere Mikroorganismen eingesetzt, die speziell dafür entwickelt wurden, bestimmte Arten von Ölen und Fetten abzubauen. Diese Methode eignet sich besonders für die Behandlung von Abwasser, das bestimmte Schadstoffe enthält.

5. Schlussfolgerung

Die Abscheidung von Ölen und Fetten aus dem Abwasser erfolgt aufgrund des Dichteunterschieds zwischen diesen (weniger dichten) Schadstoffen und dem sie enthaltenden Wasserstrom.

Diese Schadstoffe müssen entfernt werden, da ihre Anwesenheit Probleme für elektromechanische Anlagen und Klärprozesse verursacht.

Von den verschiedenen Techniken, die für diese Trennung zur Verfügung stehen, sind Flotationsanlagen mit gelöstem Luft (DAF) am effizientesten; allerdings ist es in bestimmten Fällen, in denen hohe Konzentrationen dieser Schadstoffe vorliegen, ratsam, ihnen andere Vorbehandlungsverfahren vorzuschalten, die diese Schadstoffe aus dem Wasser entfernen (CPI, CAF usw.).

Sollte zudem eine genauere Entfernung von Ölen und Fetten erforderlich sein, müssen ergänzende Aufbereitungsstufen installiert werden, mit denen die gewünschten Werte erreicht werden können, wie beispielsweise eine Feinreinigung mit speziellen Membranen.

Literaturverzeichnis und herangezogene Texte

http://www.scielo.org.co/

Was ist das Phänomen der Koaleszenz? Finde es heraus (ingeciv.com)

Emulsionsspalter | Smart Fluid International