Behandlung von Abwässern, die bei der Behandlung und Lackierung von Metalloberflächen anfallen

• 1. Entstehung von Abwasser bei der Oberflächenbehandlung von Metallen
• 2. Eigenschaften derAbwässer aus der Oberflächenbehandlung und Lackierung von Metalloberflächen
• 3. Kläranlage für Abwässer aus der Metalloberflächenbehandlung und -lackierung
• 4. Schlussfolgerungen

1. Produktion Abwasseranfall bei der Metalloberflächenbehandlung

Die Behandlung und Lackierung von Metalloberflächen ist von entscheidender Bedeutung, um Baumaterialien zu schützen und eine angemessene Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Über ihre ästhetische Funktion hinaus wirkt die Lackierung als Schutzbarriere gegen Korrosion, mechanischen Verschleiß, Witterungseinflüsse und andere Umwelteinflüsse.

Es kommt in Industriezweigen wie der Automobilindustrie, dem Maschinenbau, dem Stahlbau, dem Schiffbau, der Luftfahrt oder der Herstellung von Investitionsgütern zum Einsatz, um nur einige Beispiele zu nennen.

Vor dem Auftragen der Farbe müssen die Oberflächen vorbehandelt werden, um Unebenheiten zu beseitigen und eine gute Haftung der Farben zu gewährleisten. Die gängigsten Oberflächenbehandlungen sind:

• Reinigung und Entfettung der Oberfläche, um Öle und Verunreinigungen zu entfernen.
• Chemisches oder mechanisches Beizen.
• Kugelstrahlen oder abrasives Strahlen zur Verbesserung der Haftung.
• Chemische Behandlungen wie Phosphatierung oder Passivierung.

Nach Abschluss der Oberflächenbehandlung wird die ausgewählte Farbe aufgetragen, was durch Sprühen, Tauchen oder elektrostatisches Beschichten erfolgen kann, woraufhin die entsprechende Trocknungs- oder Aushärtungsphase der Beschichtung folgt.

Der allgemeine Ablauf des Lackierprozesses in der Metallindustrie sieht wie folgt aus:

All diese Prozesse führen zur Entstehung stark verschmutzter Abwässer. Die endgültige Zusammensetzung des Abwassers hängt von der durchgeführten Aufbereitung, der Art der verwendeten Farbe und dem angewandten Auftragsverfahren ab. In der folgenden Tabelle sind die gängigsten Auftragsverfahren aufgeführt:

Anwendungsweise	Grundierung	Zwischenschichten	Deckschicht	Farben mit hoher Viskosität
Pinsel	Ja	Ja	Ja	Nein
Walze	Nein	Ja	Ja	Nein
Herkömmliche Spritzpistole (Luftzerstäubung)	Nein	Ja	Ja	Nein
Airless-Spritzpistole	Nein	Ja	Ja	Nein
Heiße Pistole	Nein	Ja	Ja	Ja
Zerstäubung mit einer Hochdruckpistole	Nein	Nein	Nein	Ja
Spachtel	Nein	Nein	Nein	Ja

Eine gut konzipierte Kläranlage bietet folgende Vorteile:

• Die Vorschriften für die Einleitung einhalten.
• Wasser und andere verwertbare Stoffe zurückgewinnen.
• Senkung der Betriebskosten (OPEX).
• Die Umweltauswirkungen von Unternehmen optimieren.

2. Eigenschaften derAbwässern aus der Metalloberflächenbehandlung und -lackierung

Abwässer entstehen hauptsächlich in diesen drei Phasen:

1. Oberflächenvorbehandlung: Metallteile müssen vor dem Lackieren gereinigt und vorbereitet werden. Dieser Schritt umfasst Entfetten, Säurebeizen, Phosphatieren und Spülen, wodurch Abwässer entstehen, die Öle, Fette, Säuren, Laugen und gelöste Metalle enthalten.
2. Lackauftrag: Beim Tauchlackieren oder Sprühlackieren in Lackierkabinen haftet ein Teil des Materials nicht an den Werkstücken. Die Wasservorhänge, die den überschüssigen Lack auffangen, werden mit Harzen, Pigmenten, Lösungsmitteln und Additiven verunreinigt.
3. Reinigung der Anlagen: Bei der regelmäßigen Reinigung von Spritzpistolen, Behältern, Filtern und Spritzkabinen fallen Abwässer mit hohen Konzentrationen an Farbresten, Lösungsmitteln und Tensiden an.

Typische Zusammensetzung

Die Abwässer aus der Metalloberflächenbehandlung weisen je nach Art des Verfahrens eine unterschiedliche Zusammensetzung auf, enthalten jedoch in der Regel:

• Schwermetalle: Chrom, Zink, Nickel, Blei, Eisen und Aluminium aus der Vorbehandlung sowie bestimmte Pigmente.
• Organische Verbindungen: Acryl-, Epoxid- und Polyurethanharze, Lösungsmittel, Öle und Fette.
• Schwebstoffe: Farbpartikel, Pigmente (Metalloxide) und Schlamm aus der Vorbehandlung.
• Anorganische Salze: Phosphate, Sulfate, Chloride und Fluoride aus dem Phosphatierungs- und Beizprozess.

Häufig sind auch andere Schadstoffe wie Tenside, Korrosionsinhibitoren und Biozide enthalten. Die analytischen Werte dieser Abwässer weisen sehr unterschiedliche typische Parameter auf und überschreiten in der Regel die zulässigen Einleitungsgrenzwerte. Eine typische Analyse entspricht der folgenden Tabelle:                     

PARAMETER	EINHEIT	KONZENTRATION
pH-Wert	-	2–12
COD	mg/l	1.000 – 15.000
DBO5	mg/l	300 – 5.000
TSS	mg/l	500 – 8.000
Metalle gesamt	mg/l	10 – 500
Öle und Fette	mg/l	50 – 2.000

Die Einleitung von Abwässern ohne vorherige Behandlung führt zu:

• Verschmutzung von Oberflächen- und Grundwasser.
• Toxizität für Wasserlebewesen durch Schwermetalle.
• Bioakkumulation von Schadstoffen.
• Veränderungen des pH-Werts.
• Eutrophierung durch Phosphate.
• Risiken für die menschliche Gesundheit durch Beeinträchtigung der Trinkwasserquellen.

Die korrekte Charakterisierung dieser Abwässer ist für die Auslegung eines effizienten und stabilen Klärsystems von entscheidender Bedeutung.

3. Kläranlage für Abwässer aus der Oberflächenbehandlung und Lackierung

Obwohl die Zusammensetzung des Abwassers sehr unterschiedlich ist, besteht die übliche Kläranlage aus den folgenden Stufen:

3.1. Vorbehandlung durch Homogenisierung – Neutralisierung

In dieser ersten Stufe werden die verschiedenen Abfälle homogenisiert und je nach Bedarf mit Säuren (H₂SO₄, HCl) oder Laugen (NaOH, Ca(OH)₂) neutralisiert.

3.2. Physikalisch-chemische Behandlung durch Koagulation und Flockung

Um die Ladung der kolloidalen Partikel zu neutralisieren, werden Koagulierungsmittel (_Al₂(_SO₄)₃,_FeCl₃ oder PAC) zugesetzt. Anschließend werden Flockungsmittel (Polymere) hinzugefügt, die die entstandenen Koagulate zusammenballen und Flocken bilden, wodurch die Schwebstoffe und ein Teil der organischen Substanz abgetrennt werden können.

In dieser Phase fällt ein Großteil der im Abwasser enthaltenen Schwermetalle dank der pH-Einstellung und der Zugabe spezifischer Reagenzien als Hydroxide, Sulfide oder Karbonate aus.

3.3. Chemische Oxidation und Reduktion

Bei der Behandlung von Abwässern, die Chrom (^Cr+6) enthalten, muss zunächst ein saurer pH-Wert eingestellt und ein Reduktionsmittel (_NaHSO₃) zugesetzt werden, um das Chrom anschließend in Form von ausgefälltem Hydroxid (Cr(OH)₃) in alkalischem Milieu abzuscheiden.                               

Cyanide (^CN–) werden mit NaOCl oder_H₂O₂ oxidiert.       

3.4. Klarstellung

Die Abscheidung von Schwebstoffen kann durch Sedimentation oder durch Flotation mit gelöster Luft (DAF) erfolgen.

Ein DAF-System ist effizienter, da es sowohl bei Feststoffen, die zum Absetzen neigen, als auch bei schwimmenden Stoffen (Öle, Fette, Reinigungsmittel usw.) eine höhere Abscheideleistung bietet. Zudem ermöglicht es die Gewinnung von Schlamm mit einer hohen Konzentration (4–6 %), was die Schlammbehandlungslinie vereinfacht, da auf einen Zwischenverdicker verzichtet werden kann.

3.5. Biologische Nachbehandlung

In Fällen, in denen der CSB-Wert hoch ist und das Abwasser biologisch abbaubar ist, muss eine biologische Behandlung vorgesehen werden.

Das sowohl aufgrund seiner Wirksamkeit als auch seiner Einfachheit am häufigsten eingesetzte biologische Verfahren ist das MBR-Verfahren, bei dem ein aerober biologischer Reaktor mit semipermeablen Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationsmembranen kombiniert wird.

Mit einem Membranbioreaktor lassen sich hochreine, gereinigte Abwässer gewinnen, die abgeleitet oder wiederverwendet werden können – häufig innerhalb des eigenen Industriebetriebs.

3.6. Fortgeschrittene Behandlungen

Angesichts der Vielfalt der Abfälle, die bei der Behandlung und Lackierung von Metalloberflächen anfallen können, werden im Folgenden verschiedene fortschrittliche Behandlungstechniken vorgestellt, die als Zwischen- oder Tertiärbehandlungen eingesetzt werden können.

• Adsorption mit Aktivkohle: Trennt durch Adsorption gelöste organische Verbindungen und Farbstoffe ab.
• Ionenaustausch: Spezielle Ionenaustauscherharze, mit denen wertvolle Metalle zurückgewonnen und Wasser von besserer Qualität erzeugt werden kann.
• Halbdurchlässige Membranen: Durch Umkehrosmose wird hochreines Wasser gewonnen, indem ein Großteil der gelösten Salze (TDS) abgeschieden wird, die anschließend zum Spülen wiederverwendet werden können.
• Elektrokoagulation: Dieses Verfahren ersetzt die chemische Koagulation. Dabei kommen Elektroden aus Aluminium oder Eisen zum Einsatz, die Koagulate bilden und Metalle sowie organische Stoffe entfernen.
• Fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOP): Ist der CSB schwer abbaubar, kommen chemische Oxidationsmittel (_O₃,_H₂O₂) in Verbindung mit Katalysatoren oder UV-Strahlung zum Einsatz, wodurch komplexe und schwer abbaubare organische Verbindungen abgebaut werden können.

3.7. Schlammbehandlung

Bei diesen Abwasseraufbereitungsprozessen fallen Schlämme mit einer hohen Konzentration an Metallen und organischen Stoffen an, die entwässert und charakterisiert werden müssen, bevor sie an ihren Bestimmungsort weitergeleitet werden – sei es eine spezielle Deponie oder, sofern möglich, zur Verwertung.

Wenn es darum geht, wertvolle Metalle zurückzugewinnen, kommen weitere ergänzende oder alternative Technologien wie die Vakuumverdampfung zum Einsatz.

Die Wahl des Systems hängt von der Zusammensetzung des Abwassers, den gesetzlichen Einleitungsgrenzwerten, der zu behandelnden Menge und der Wirtschaftlichkeit der jeweiligen Technologie ab.

4. Schlussfolgerungen

Bei der Behandlung und Lackierung von Metalloberflächen fallen komplexe Abwässer an, die mit Schwermetallen, organischen Verbindungen und Chemikalien verunreinigt sind. Diese Abwässer überschreiten in der Regel die zulässigen Einleitungsgrenzwerte und erfordern spezielle Aufbereitungsmaßnahmen, weshalb eine korrekte Charakterisierung erforderlich ist.

Bei der Aufbereitung dieser Abwässer kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, darunter insbesondere die Neutralisation, die Koagulation und Flockung, die Flotation mit gelöstem Luft und die chemische Fällung. Bei Bedarf werden biologische Verfahren (MBR) oder fortgeschrittene Aufbereitungsverfahren (POA) eingesetzt, deren Auslegung von der Art der anfallenden Abwässer abhängt und davon, ob das Wasser wiederverwendet oder wertvolle Metalle zurückgewonnen werden sollen.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

Behandlung und Lackierung von Metalloberflächen

Umfassender Leitfaden zu Oberflächenbehandlungen von Metall | Artizono