Abwasserbehandlung in der Fisch- und Meeresfrüchteproduktion
1. Zusammensetzung des Abwassers aus der Fisch- und Meeresfrüchteindustrie
Der Produktionsprozess für Fisch und Meeresfrüchte ist nicht einheitlich und variiert erheblich je nach dem zu vermarktenden Endprodukt. Die gängigsten Verfahren sind die folgenden:
Jede dieser Phasen erzeugt eine bestimmte Art von Abwasser, weshalb die Eigenschaften der in der Fisch- und Meeresfrüchteindustrie anfallenden Abwässer je nach Endprodukt und den durchgeführten Verarbeitungsprozessen sehr unterschiedlich sind.
Fisch, der ausschließlich für den Vertrieb und den Verzehr bestimmt ist, durchläuft lediglich eine Behandlung, die aus Waschen, Reinigen, Lagern und Kühlen besteht. Das dabei anfallende Abwasser enthält Wasser, Blut und Fischrückstände.
Bei verarbeiteten Produkten wie Konserven, Pökelfleisch, Räucherwaren usw. sind die Abwässer reich an CSB, BSB, suspendierten Feststoffen sowie Ölen und Fetten und enthalten darüber hinaus die bei der Verarbeitung und Konservierung verwendeten Stoffe.
Zu berücksichtigen sind auch die bei der Reinigung von Industrieanlagen anfallenden Abwässer, die Schwebstoffe, Öle und Fette sowie die für den Reinigungsprozess verwendeten Chemikalien enthalten.
Das Abwasser dieser Industrie lässt sich anhand seiner physikalisch-chemischen, organischen sowie Stickstoff- und Phosphorgehalte charakterisieren. Die wichtigsten Variablen zur Beurteilung seines Verschmutzungsgrades sind:
- Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB₅)
- Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
- Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen (SST)
- Fette und Öle
- pH-Wert.
Die folgende Tabelle zeigt die üblichen Schadstoffkonzentrationen im Abwasser, das bei der Fisch- und Meeresfrüchteproduktion anfällt:
| pH-Wert | CSB (mg/l) | BSB₅ (mg/l) | TSS (mg/l) | Fette und Öle (mg/l) |
|---|---|---|---|---|
| 5,5 – 9 | 2000 – 5000 | 800 – 2500 | 700 – 2000 | 100 – 1000 |
Trotz ihrer Unterschiedlichkeit ist offensichtlich, dass diese Abwässer hohe Konzentrationen an SST, Ölen, Fetten und biologisch abbaubaren organischen Stoffen enthalten, die die in den Abwasserrichtlinien festgelegten Grenzwerte bei weitem überschreiten.
Die in diesen Abwässern enthaltenen Öle und Fette, die bei der Verarbeitung des Fisches entstehen, neigen dazu, an der Oberfläche zu schwimmen, was den Sauerstoffaustausch im Wasser beeinträchtigt. Stickstoff und Phosphor sind Nährstoffe, die Algenblüten verursachen und das Leben im Wasser beeinträchtigen können, wenn ihre Konzentration die zulässigen Grenzwerte überschreitet.
Die Fisch- und Meeresfrüchteindustrie verbraucht große Mengen an Wasser. Daher muss unbedingt sichergestellt werden, dass die eingesetzten Aufbereitungsverfahren ausreichen, um die Einleitungsgrenzwerte einzuhalten und sogar einen Teil des Wassers in verschiedenen Prozessen und Arbeitsabläufen der Fabriken selbst wiederzuverwenden.
2. Abwasserbehandlung und Rückgewinnung von Nebenprodukten in der Fisch- und Meeresfrüchteindustrie
Das in der Fisch- und Meeresfrüchteindustrie anfallende Abwasser ist eine reichhaltige Quelle für eine Vielzahl von chemischen Verbindungen von industriellem Interesse, weshalb seine Aufbereitung ein doppeltes Ziel verfolgt:
- Schadstoffe abtrennen, die negative Auswirkungen auf die Meeresökosysteme haben können.
- Wiedergewinnung einiger wertvoller Stoffe aus dem Wasser, wie Öl, Fett und bestimmte Arten von Feststoffen, die anschließend zu Fischmehl und anderen Nebenprodukten verarbeitet werden.
Die Vorbehandlung der Abwässer ist für die anschließende Rückgewinnung dieser Nebenprodukte von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Vorbehandlungsphase am häufigsten eingesetzten Technologien sind das Sieben und die Flotation mit gelöstem Luft, da sie es ermöglichen, mehr als 90 % der vorhandenen Feststoffe und Öle abzutrennen.
Die extrahierten Proteine werden anschließend mit verschiedenen Methoden konzentriert, wobei die gängigsten Verfahren die Ultrafiltration und die Vakuumverdampfung sind .
Darüber hinaus gibt es weitere Technologien, wie beispielsweise Membranbioreaktoren, die in Kombination mit anderen Verfahren die Rückgewinnung dieser Nebenprodukte ermöglichen und gleichzeitig die ernährungsphysiologischen, funktionellen und biologischen Eigenschaften der im Abwasser enthaltenen Proteinkonzentrate verbessern, wodurch deren Wiederverwendung in der Lebensmittel-, Agrochemie- und Pharmaindustrie erleichtert wird.
Eine Kläranlage für die Fisch- und Meeresfrüchteindustrie umfasst in der Regel folgende Verfahren:
- Screening
- DAF-System
- Aerober biologischer Belebtschlammreaktor oder MBR-System
- Ultrafiltration oder Vakuumverdampfer
Die Flotation mit gelöster Luft (DAF) ist ein effizientes Verfahren zur Abwasserklärung. Ein DAF-System trennt Schwebstoffe, Öl, Fette und andere im Abwasser enthaltene Verunreinigungen effizient ab. Die Feststoffe haften an den Mikroblasen der eingeblasenen Luft und steigen an die Oberfläche, wo sie als Schlamm schwimmen, der durch mechanische Abstreifsysteme aus der Anlage entfernt wird.
Nach der Vorbehandlung mittels DAF verbleibt ein erheblicher Teil des CSB im Abwasser in gelöster Form, und zu diesem Zeitpunkt lässt er sich mit physikalisch-chemischen Verfahren kaum noch entfernen. Es ist auch nicht sinnvoll, direkt eine Behandlung mittels Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen durchzuführen, da dabei nur die größeren Moleküle abgetrennt werden können und sich die Membranen zudem aufgrund der verbleibenden Schadstofffrachten schnell verstopfen können.
Zur Behandlung der in dieser Prozessphase üblichen organischen Belastungen und aufgrund der hohen biologischen Abbaubarkeit, die bei diesen Abwässern üblicherweise festgestellt wird, wird eine aerobe biologische Behandlung mittels Belebtschlamm empfohlen. Auf diese Weise werden die Moleküle der organischen Substanz oxidiert, wodurch eine hohe Reduzierung des BSB (ca. 90 %) erreicht wird.
Bekanntlich erfordert der biologische Belebtschlammprozess eine anschließende Klärung, bei der frischer Schlamm in den Oxidationsbecken zurückgeführt wird, um das Gleichgewicht im System aufrechtzuerhalten. Ein Teil des zurückgeführten Schlamms wird als Überschussschlamm entnommen, um ihn zu entwässern und zu entsorgen.
Je größer die zu entwässernde Wassermenge ist, desto kostspieliger wird der Konzentrationsprozess dieser Schlämme. Daher setzt sich die DAF-Flotation gegenüber der Nachsedimentation durch, da sie bei hohen Belastungen eine höhere Leistung bietet, wodurch weniger Platz benötigt wird und die Konzentration im abgeschiedenen Schlamm erheblich (um das Vier- bis Fünffache) gesteigert wird.
Da das Wasser zudem nur einen sehr geringen Gehalt an Schwebstoffen und Restölen aufweist, kann es einer Ultrafiltration unterzogen und wiederverwendet werden.
Die Ultrafiltration ist ein Membranfiltrationsverfahren, bei dem Schwebstoffe, Bakterien und Viren entfernt werden. Außerdem entsteht Wasser von hoher Qualität mit einem geringen Sedimentgehalt.
Das ultrafiltrierte Wasser kann wiederverwendet werden; falls die Anforderungen am Einsatzort dies erfordern, kann es einer zusätzlichen Reinigung mittels Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembranen unterzogen werden.
3. Abwasserbehandlung mit MBR
MBR-Systeme sind eine hervorragende Alternative zu Belebtschlammsystemen, da sie den biologischen Abbauprozess mit der Fest-Flüssig-Trennung mittels Membranfiltration kombinieren. Membranbioreaktoren bieten eine hervorragende Leistung bei der Behandlung von Abwässern, die bei der Fisch- und Meeresfrüchteproduktion anfallen.
In vielen Fällen und abhängig von den verfügbaren Flächen und der Schadstoffbelastung stellt die Installation eines MBR-Systems die effizienteste und wirtschaftlichste Lösung dar.
Ein MBR-System besteht aus einem aeroben Bioreaktor mit einer Belüftungsanlage und einer Ultrafiltrationsanlage (UF), durch die die Biomasse zirkuliert.
Da die Biomasse vollständig in der Membran zurückgehalten und in den Reaktor zurückgeführt wird, lassen sich im Reaktor sehr hohe Konzentrationen erzielen (die fünfmal höher sind als bei herkömmlichen Systemen). Dies ist auf kurze Verweilzeiten, eine außergewöhnliche Abbaukapazität, einen minimalen Platzbedarf und eine bemerkenswerte Qualität des Permeats zurückzuführen.
Ein weiterer Vorteil der höheren Biomassekonzentration ist die Möglichkeit, Schwankungen der Schadstoffbelastung abzufedern, ohne die Biomasse zu schädigen. Kurzzeitige Schwankungen von bis zu 10 g/l BSB am Reaktoreinlauf haben kaum Einfluss auf die Biomassekonzentration. Dank dieser Pufferkapazität wird eine gleichbleibende Permeatqualität gewährleistet.
In einem MBR-System kann eine Sauerstoffzufuhrrate von 200 mg O₂/l/h erreicht werden, ein Wert, der weit über dem liegt, der in herkömmlichen Reaktoren erzielt wird. Dank der vollständigen Suspension der Mikroorganismen (ohne Flockenbildung) entsteht eine große Oberfläche, wodurch der im Medium strömende Sauerstoff von den Mikroorganismen direkt auf dem kürzesten Weg aufgenommen werden kann. Dies ermöglicht den Bakterien eine hohe Stoffwechselrate.
Kombination aus DAF und MBR zur Abwasserbehandlung in der Fisch- und Meeresfrüchteproduktion
Eine komplette Aufbereitungsanlage zur Behandlung von Abwässern aus der Fischereiindustrie könnte aus einer Vorbehandlung mittels Flotation mit gelöstem Sauerstoff und einem MBR bestehen, der als Sekundär- und Tertiärbehandlung angesehen werden könnte. Das so gewonnene Wasser kann in vielen Prozessen der Industrie selbst wiederverwendet werden und ist zudem für die Reinigung durch Feinbehandlungsverfahren wie Nanofiltration/Umkehrosmose oder Ionenaustausch vorbereitet.
Wie bereits erwähnt, wird das Abwasser zunächst gesiebt, entfettet und mittels eines DAF-Floators geklärt.
Von hier aus gelangt das Wasser in den Reaktor, nachdem es gegebenenfalls zuvor die anoxische Denitrifikationszone durchlaufen hat, in der die organischen Stoffe durch Einleiten von Luft mit Sauerstoff angereichert werden.
Die Durchmischung des Reaktorvolumens erfolgt über das Belüftungssystem. In dieser Phase kommt der Bildung kleiner Bläschen, die sich mit dem gesamten zu behandelnden Abwasser vermischen, besondere Bedeutung zu. In einem System mit eingetauchten Membranen erfolgt die Durchmischung des Reaktorvolumens kontinuierlich durch die an den Belüftungsreaktor angeschlossene Membrankammer (Tank), in der die Ultrafiltrationsmembranen direkt in die Biomasse eingetaucht sind.
Die Absaugung der Membran erfolgt mit minimalem Energieaufwand mittels einer selbstansaugenden Kreiselpumpe. Dadurch wird die behandelte und gereinigte Biomasse von den noch nicht abgebauten organischen Substanzen mit hohem Molekulargewicht getrennt.
Das gereinigte Wasser, das aus Wasser, Salzen und nicht biologisch abbaubaren Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht besteht, tritt unter Anlegen eines Unterdrucks als Permeat durch die Innenseite der Membranen aus dem System aus. Der Schlamm (die aus dem Ultrafiltrationsbecken stammende Biomasse) wird hingegen wieder in die Denitrifikationsstufe und in den Bioreaktor zurückgeführt.
Bei Sigmadaf verwenden wir sowohl Hohlfaser-UF-Membranen mit offenen oberen Köpfen als auch neu entwickelte parallele Flachmembranen, die vertikal in den Membranbehälter innerhalb der Biomasse eingetaucht werden.
Von der Unterseite der Membranen wird Luft in das Innere des Behälters geblasen, wodurch ein Überdruck des Mediums an der Membran entsteht und gleichzeitig die Biomasse in Bewegung gehalten wird, um die Bildung einer Verstopfungsschicht zu verhindern.
Eine Pumpe fördert kontinuierlich das aufbereitete Wasser (Permeat) aus dem Inneren der Membran ab.
Die Membranoberfläche kann bei Bedarf in regelmäßigen kurzen Zyklen durch Spülen des Permeatrücklaufs gereinigt werden. Dies minimiert kostspielige und aufwendige chemische Reinigungen und gewährleistet einen gleichmäßigen Durchfluss. Der vorteilhafte modulare Aufbau der Membranen ermöglicht eine sehr hohe Packungsdichte.
Der MBR-Prozess lässt sich so steuern, dass die Schlammüberproduktion auf 0,05–0,1 kg pro kg abgebautem BSB reduziert werden kann (im konventionellen Verfahren liegen die Werte normalerweise bei 1–3).
Nachfolgend ist ein Diagramm des beschriebenen Prozesses dargestellt.
Analyse von Abwässern aus der Fischereiindustrie unter Einsatz einer Abwasserbehandlungsanlage mit DAF und MBR.
| Konzept | BSB₅ (mg/l) 2050 40 98 | CSB (mg/l) | SST (mg/l) | Öle und Fette (mg/l) | pH-Wert |
|---|---|---|---|---|---|
| Rohwasser | 2050 | 4275 | 1850 | 942 | 5,5 |
| Aufbereitetes Wasser | 40 | 128 | 9,3 | 41 | 6,5 |
| % Reduzierung | 98 | 97 | 99,5 | 95,6 |
4. Schlussfolgerung
Die Produktion von Fisch und Meeresfrüchten ist weltweit eine der tragenden Säulen der Lebensmittelindustrie. Aus dem Fang von Fischen, Meeresfrüchten und anderen Meerestieren werden zahlreiche Produkte und Nebenprodukte hergestellt, deren Verbrauch stetig steigt. Allerdings ist der Wasserverbrauch hoch, ebenso wie die Schadstoffbelastung des Abwassers, das bei diesen Prozessen anfällt.
Die Aufbereitungsanlagen für dieses Abwasser bestehen im Wesentlichen aus einer Vorbehandlung mit einem DAF-Floatationsbecken, gefolgt von einem aeroben biologischen Verfahren und einem UF-Membransystem mit Rückführung und Schlammabzug (MBR).
Das MBR-System von SIGMADAF ist eine ideale Lösung für die Behandlung von Abwässern aus der Fischereiindustrie. Es handelt sich um eine kompakte Technologie, die nur wenig Platz benötigt und äußerst effizient arbeitet, wodurch die Installations- und Energiekosten gesenkt werden.
Die Wiederverwendung eines Teils des Abwassers stellt an sich schon eine rentable Nutzung der Abwasserbehandlungsverfahren dar. Darüber hinaus ist die Rückgewinnung von Proteinen, Fetten und anderen in den Abfällen enthaltenen Nebenprodukten eine praktikable Option, da diese einen hohen Gehalt an Proteinen, Ölen und Mineralien aufweisen, die einen hohen kommerziellen und ernährungsphysiologischen Wert besitzen.
Die Nutzung von Abwässern aus der Fischereiindustrie als Quelle bioaktiver Verbindungen kann zur Erhaltung anderer Arten oder konventioneller Ressourcen beitragen und die Ernährungssicherheit fördern. Auf diese Weise wird der Mehrwert der Abfälle gesteigert und deren Auswirkungen auf die Umwelt minimiert. Ziel ist es, eine Kultur der nachhaltigen Entwicklung zu fördern, die gleichzeitig zu einer besseren Abwasserbehandlung beiträgt und die damit verbundenen Kosten senkt.
Literaturverzeichnis und Quellenangaben
Membranbioreaktor: Prozessschritte, Vorteile und Vergleich mit herkömmlichen Systemen | iAgua
fischerei.com/fischereiindustrie
https://es.scribd.com/presentation/92333892/La-Industria-Pesquera-02-1
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