Behandlung komplexer Abwässer mittels DAF und Tangentialfiltration

• 1. Einleitung
• 2. DAF und Tangentialfiltration
• 3. Vergleich der beiden Technologien
• 4. Zusammenfassung

1. Einleitung

Abwasserbehandlungstechnologien zielen darauf ab, jene Stoffe oder Verbindungen abzutrennen, die für die Umwelt unerwünschte Schadstoffe enthalten.

Obwohl es zahlreiche Technologien zur Abwasserbehandlung gibt (physikalisch-chemische und biologische Verfahren, Oxidation, Filtration usw.), konzentrieren wir uns auf diejenigen, die darauf abzielen, die wertvollsten Verbindungen zurückzugewinnen oder diejenigen abzutrennen, die aufgrund ihrer Toxizität, geringen biologischen Abbaubarkeit, Dichte, Viskosität sowie extremer Temperaturen oder pH-Werte problematisch sind.

Viele Abwasserreinigungsverfahren kommen nicht in Frage, da sie bestimmte Schadstoffe wie Lösungsmittel, Öle und Fette, Kohlenwasserstoffe, extrem saure oder alkalische Abwässer sowie Abwässer mit hohen oder niedrigen Temperaturen nicht wirksam behandeln können.

Darüber hinaus gibt es weitere Faktoren wie die erwartete Trennleistung, den Energieverbrauch, die Wasserwiederverwendung oder die Rückgewinnung von Ressourcen, die darüber entscheiden, ob eine Technologie für die angestrebte Lösung geeignet ist oder nicht.

Es gibt zwei Technologien, die eine hervorragende Leistung bei der Behandlung einer Vielzahl von Schadstoffen bieten:

• Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF)
• Die Trennung durch Tangentialfiltration

Es handelt sich um zwei sehr unterschiedliche Technologien, die bei der Behandlung einer Vielzahl von Abwässern zum Einsatz kommen.

2. DAF und Tangentialfiltration

Diese Technologien eignen sich für die Behandlung bestimmter komplexer Abwässer, und ob sie einzeln oder kombiniert eingesetzt werden, hängt von der Art und Konzentration der zu entfernenden Schadstoffe sowie von der angestrebten Reinigungsleistung ab.

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) ist ein physikalisch-chemisches Verfahren zur Abwasserklärung, das sich besonders gut für die Behandlung von Abwässern mit Schwebstoffen im Allgemeinen eignet und bei Verbindungen mit geringer Dichte besonders wirksam ist. Diese Technologie ermöglicht die Abscheidung von Schwebstoffen und Kolloiden im Abwasser, die zuvor ausgeflockt wurden.

Der Prozess besteht darin, dass Druckluft in einen Teil des geklärten Wassers eingeleitet wird, das in einem Behälter umgewälzt und unter Druck gesetzt wird. Dieses Wasser wird mit dem in den Flotationsbehälter einströmenden Abwasser vermischt, wodurch die in der Suspension befindlichen Schadstoffe mitgerissen werden. Wenn der Druck der eingeleiteten Luft nachlässt, haften die in Form von Mikroblasen mit einer Größe von etwa 50 µm entstehenden Bläschen an den ausgeflockten Partikeln und lassen diese an die Oberfläche aufsteigen, wo sich eine Schwimmschicht bildet, die mittels eines Schabers oder eines Skimmers entfernt wird .

Schema der DAF-Flotation von Abwasser

DAF-Systeme sind eine gängige Technologie in Kläranlagen für industrielle und kommunale Abwässer. Sie werden eingesetzt, um Schwebstoffe, Öle und Fette sowie viele andere Schadstoffe aus Industrieabwässern (Chemie, Lebensmittelindustrie, Öl- und Gasindustrie usw.) zu entfernen.

In einigen Anwendungsfällen kann die Flotation mit gelöstem Luftblasen dazu genutzt werden, wertvolle Stoffe wie Öle oder Proteine aus bestimmten Abwässern zurückzugewinnen, da diese chemisch kaum beeinträchtigt werden und die Konzentration des abgeschiedenen Schlamms hoch ist (4–6 %).

Die Tangentialfiltration istein physikalischer Prozess, bei dem die Zufuhrflüssigkeit parallel zur Oberfläche einer Membran fließt. Bei diesem Verfahren werden die in der Flüssigkeit enthaltenen unlöslichen Feststoffe, Kolloide, Emulsionen, Moleküle und Ionen von dieser getrennt und mit hoher Geschwindigkeit umgewälzt, was die Verschmutzung der Membranen verringert. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber dem Frontalfiltrationsverfahren, das wesentlich anfälliger für Verschmutzung und Verstopfung ist.

In Tangentialfluss-Filtersystemen kommen drei Arten von Membranen zum Einsatz:                 

• Spiralförmige Membranen, die um einen perforierten zentralen Sammler gewickelt sind und so spiralförmige Filtermodule bilden. Sie werden in der Milch-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur Klärung, Konzentration und Reinigung wertvoller Inhaltsstoffe eingesetzt.
• Hohlfasermembranen. Sie verfügen über eine einzigartige Struktur, die eine einfachere Steuerung des Durchflusses und der Rückhaltung während der Produktion und Reinigung ermöglicht. Sie werden für die Ultrafiltration und Mikrofiltration eingesetzt.
• Rohrmembranen. Sie bestehen aus zylindrischen Hüllen, die eine variable Anzahl von Hohlfasern enthalten. Der laterale Permeatfluss erfolgt durch die Wände, während das Konzentrat am der Zufuhr gegenüberliegenden Ende gewonnen wird. ,          

Keramikmembranen

Es handelt sich um eine sehr effiziente Technologie zur Entfernung von Ölen, Fetten und Mikroverunreinigungen im Allgemeinen.

Diese Membranen zeichnen sich durch ihre hohe Hydrophilie aus, wodurch sie Wasser anziehen und Öl abweisen. Dieses Verhalten führt zu hervorragenden Ergebnissen im Filterprozess, wodurch aufbereitetes Wasser von hoher Qualität gewonnen wird. Es handelt sich um eine robuste und kompakte Technologie, die Wasser produziert, das direkt wiederverwendet oder, falls gelöste Salze entfernt werden sollen, mittels Umkehrosmose weiterbehandelt werden kann.

Die Permeatdurchsätze sind deutlich höher als bei hydrophoben Polymermembranen. Hervorzuheben ist zudem die hohe mechanische, thermische und chemische Beständigkeit des Keramikmaterials, die den Betrieb unter extremen pH- und Temperaturbedingungen ermöglicht (beispielsweise bei der Aufbereitung von Entfettungsbädern). Diese Eigenschaften ermöglichen zudem die Anwendung von Reinigungsprotokollen, die eine effizientere Regeneration gewährleisten.

Der Betrieb wird in Zyklen gemessen (diskontinuierlicher Betrieb), da sich die Membranen mit der Zeit verschmutzen und in festgelegten Zeitabständen eine chemische Reinigung durchgeführt werden muss, bei der in der Regel sehr aggressive Reagenzien zum Einsatz kommen, um die Betriebsbedingungen des Systems wiederherzustellen. Da es sich zudem um ein Tangentialfiltrationssystem handelt, müssen sehr hohe Umwälzströme verwendet werden, um Verstopfungen zu vermeiden, was zu kostspieligen und energieintensiven Anlagen führt.

Keramikmembranen werden hauptsächlich aus tafelförmigem Aluminiumoxid (_αAl₂O₃) und Siliziumkarbid (SiC) hergestellt, wobei stets hohe Sintertemperaturen (1.800–2.000 °C) zum Einsatz kommen. Zwar gibt es auch flache Membranmodelle für spezielle Anwendungen, doch haben diese Membranen in der Regel eine röhrenförmige Gestalt.

Keramikmembranen sind je nach Anzahl der durch sie verlaufenden Kanäle in verschiedenen Konfigurationen erhältlich. So werden für stark belastete oder viskosere Abwässer in der Regel Membranen mit wenigen, aber großen Kanälen verwendet, während für dünnflüssigere und weniger belastete Abwässer Membranen mit einer größeren Anzahl kleinerer Kanäle zum Einsatz kommen. Membranen mit mehr Kanälen weisen eine größere äquivalente Filterfläche auf.

Um eine korrekte Auslegung der Anlage zu gewährleisten, empfiehlt es sich, Versuche oder Pilotversuche mit der zu behandelnden Flüssigkeit durchzuführen.

Die Membranbaugruppe ist in Gehäusen aus Edelstahl untergebracht, die mit für das Medium und die Reinigungsvorgänge geeigneten Elastomerdichtungen (in der Regel Viton oder PTFE) ausgestattet sind

Anwendungsbereiche von Keramikmembranen:

• Behandlung von kommunalen Abwässern. Keramikmembranen werden zur Filtration von Schwebstoffen, Bakterien und Viren in kommunalen Abwässern eingesetzt. Sie kommen auch bei der Entfernung von Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor zum Einsatz.
• Behandlung von Industrieabwässern. Keramikmembranen werden zur Behandlung komplexer Industrieabwässer eingesetzt, wie sie beispielsweise in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie anfallen.
• Sie dienen dazu, Schadstoffe abzuscheiden und wertvolle Stoffe zurückzugewinnen.
• Wasseraufbereitung. Keramikmembranen ermöglichen die sichere Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser für Bewässerungszwecke und industrielle Prozesse.

Schema der tangentialen Abwasserfiltration

3. Vergleich der beiden Technologien

Da es sich um ein komplexes Abwasser handelt, dessen Behandlung mit herkömmlichen physikalisch-chemischen oder biologischen Verfahren erhebliche Schwierigkeiten bereitet, vergleichen wir die Leistungsfähigkeit und Durchführbarkeit von DAF-Systemen mit der Keramikfiltration.

DAF-Flotation

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) bietet folgende Vorteile:

• Kontinuierlicher Prozess. Die Entleerung sowie die Trennung von Bodensatz und Schwimmsubstanzen erfolgen parallel zum Betrieb.
• Hohe Abscheidung von Ölen und Fetten sowie von Stoffen mit geringer Dichte wie Lösungsmitteln und Kohlenwasserstoffen.
• Hohe MS-Konzentration im abgetrennten Schlamm, da die Schwebstoffe abgeschieden werden und der Wasserabfluss gering ist. Diese hohe Konzentration erleichtert die Rückgewinnung wertvoller Stoffe. Sollte ein nachgeschaltetes Verdampfungs- oder Kristallisationssystem erforderlich sein, fallen die Kosten und der Platzbedarf für eine solche Anlage deutlich geringer aus.
• Geringer Energieverbrauch. Der einzige nennenswerte Energieverbrauch entsteht durch die Umwälzpumpe und den Kompressor zur Luftdruckerhöhung, doch ist der zu sättigende Durchfluss gering (ca. 1/10 des Zuflusses).
• Hohe Betriebslasten und Förderhöhen, wodurch auf engstem Raum sehr große Abwassermengen gefördert werden können.
• Moderate Kosten für Installation und Wartung, insbesondere im Vergleich zur Keramikmembran-Filtrationstechnologie.

Im Vergleich zur Behandlung mit Keramikmembranen sind folgende Nachteile zu nennen:

• Mäßige Reinigungsleistung. Die Flotation mit gelöster Luft gilt als Vorbehandlung, während Keramikmembranen als Endbehandlung angesehen werden. Der Abscheidegrad eines DAF-Systems kann bei über 90 % liegen, während Membranen mühelos einen Wert von über 99 % erreichen.
• Größe der durchgelassenen Schwebstoffe. Diese ist in einem DAF-System variabel und kaum kontrollierbar. Von einer Trenngrenze kann nicht gesprochen werden, da diese nur bei einem physikalischen Filterprozess auf verschiedenen Ebenen zutrifft. Mit einem ordnungsgemäß funktionierenden vorgeschalteten Koagulations-/Flockungssystem lässt sich jedoch ein reduzierter Durchfluss an Schwebstoffen erzielen, der je nach Kundenanforderungen ausreichend sein kann.

Keramikmembranen

Die wichtigsten Vorteile von Keramikmembranen sind folgende:

• Thermische Beständigkeit. Sie sind hochtemperaturbeständig.
• Chemische Beständigkeit. Sie sind beständig gegen aggressive Medien.
• Mechanische Festigkeit. Sie bestehen aus keramischen Werkstoffen wie Korund und zeichnen sich daher durch eine hohe Härte und mechanische Festigkeit aus, was eine lange Lebensdauer gewährleistet.
• Hohe Qualität des aufbereiteten Wassers. Diese Art von Membranen ermöglicht eine hohe Qualität des aufbereiteten Wassers, wodurch dieses in vielen Fällen wiederverwendet oder weiterverwertet werden kann.
• Aufbau. Keramikmembranen können selektive Schichten, Zwischenschichten und Trägerschichten aufweisen, wodurch sie unterschiedliche Filtergrade ermöglichen.                                         

Als Nachteile sind zu nennen:

• Zerbrechlichkeit. Sie weisen eine geringe Beständigkeit gegen thermische und mechanische Stöße auf.
• Hohe Anfangsinvestitionskosten.
• Hohe Wiederbeschaffungskosten. Keramikmembranen sind relativ teuer, haben jedoch eine sehr lange Lebensdauer, sodass sie nicht häufig ausgetauscht werden müssen.
• Hoher Energieverbrauch. Die Umwälzpumpen dieser Membrananlagen arbeiten mit sehr hohen Durchflussmengen, was einen hohen Energieverbrauch zur Folge hat.
• Diskontinuierlicher Betrieb. Die Membranen arbeiten in Zyklen aus Verschmutzung und Reinigung, was Zwischenbehälter und eine Überdimensionierung erfordert, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, oder aber eine Standby-Anlage.

Vergleichstabelle zu Leistung und Funktionen

Verfahren	Operation	SS-Trennung (%)	Trenngröße (µm)	Wasserrückgewinnung (%)
DAF	Fortsetzung	≥ 90	ca. 100	≥99
Keramische Tangentialfiltration	Unregelmäßig	≥ 99	≤0,1	≥90

Vergleichstabelle zu Kosten und Verbrauch

Verfahren	Installationskosten	Verbrauch von Reagenzien	Energieverbrauch (kW/m³)	Durchflussbereich (m³/h) (*)
DAF	1	Flockungsmittel + Koagulierungsmittel	≤ 0,3	1 – 100
Tangentialfiltration mit Keramik	10	Reinigungsmittel	≤ 3	0,1 – 1

4. Zusammenfassung

Als Vergleichsgrundlage zwischen den Verfahren lässt sich zusammenfassen, dass die Tangentialfiltration auf Membranen basiert, um Partikel aus der Flüssigkeit abzutrennen, während das DAF-Verfahren Luftmikrobläschen nutzt, um im Wasser schwebende Partikel abzuscheiden.

Es handelt sich um zwei unterschiedliche Verfahren, die jedoch bei komplexen Abfällen wie Ölen, Fetten, Kohlenwasserstoffen, Lösungsmitteln und hochgiftigen Abfällen angewendet werden können und die unter anderem auch zur Rückgewinnung wertvoller Materialien in der Pharma- oder Edelmetallindustrie genutzt werden können.

Wie aus den angegebenen Informationen hervorgeht, unterscheiden sich beide Lösungen sowohl hinsichtlich der Installations- als auch der Betriebskosten erheblich, ebenso wie der Wirkungsgrad, den sie erzielen können.

In bestimmten Fällen bietet sich die Möglichkeit, zunächst eine DAF-Vorabscheidung durchzuführen und anschließend ein Ultrafiltrationssystem mit Tangentialmembranen einzusetzen, um die Vorteile beider Technologien zu vereinen.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

http://www.membranesamta.org/amta_media/pdfs/MFUF.pdf, junio 2006

AMERICAN MEMBRANE TECHNOLOGY ASSOCIATION.

DAF in der Abwasserbehandlung: Bedeutung und Funktionsweise | Wasserinstitut

DAF-System zur Abwasserbehandlung