Entfernung von Waschmitteln und anderen Tensiden aus Abwasser

• 1. Einleiten von Reinigungsmitteln und anderen seifenhaltigen Stoffen
• 2. Arten von Tensiden
• 3. Vorhandensein von Tensiden im Abwasser
• 4. Entfernung von Tensiden aus Abwasser
• 5. Zusammenfassung

1. Einleiten von Reinigungsmitteln und anderen seifenhaltigen Substanzen

Manche in industriellen Prozessen anfallenden Abwässer enthalten seifenartige Substanzen und Reinigungsmittel. Die Einleitung dieser Abwässer hat negative Auswirkungen auf die natürliche Umwelt, wie beispielsweise die Eutrophierung, die zu einem Ökosystem führt, das durch einen ungewöhnlich hohen Gehalt an Nährstoffen wie Phosphaten gekennzeichnet ist.

Wenn Waschmittel austritt, bildet sich auf der Wasseroberfläche ein Film, der die Aufnahme von Sauerstoff aus der Atmosphäre und dessen anschließende Verdünnung beeinträchtigt, was sich auf alle Arten von Wasserorganismen auswirkt.

Mit Reinigungsmitteln und anderen Tensiden verunreinigtes Abwasser sickert häufig in den Boden ein, wobei ein Teil der Schadstoffe dort zurückbleibt. In anderen Fällen gelangen diese Schadstoffe ins Grundwasser.

2. Arten von Tensiden

Tenside, auch als oberflächenaktive Stoffe bekannt, sind Moleküle organischen Ursprungs, die das Gleichgewicht der Anziehungskräfte zwischen den Molekülen in der Nähe der Oberfläche einer Flüssigkeit verändern können. Mit anderen Worten: Es handelt sich um Substanzen, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verringern können. 

Diese Verbindungen finden in zahlreichen industriellen Anwendungen breite Verwendung, da sie es ermöglichen, wasserunlösliche Stoffe wie Öle, Fette und andere Substanzen aufzulösen oder zu emulgieren.

Tenside werden bei der Herstellung von Produkten wie den folgenden verwendet:

• Wasch- und Reinigungsmittel: Tenside sind für die Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln unverzichtbar, da sie dazu beitragen, unlösliche Stoffe zu lösen oder aufzulösen und so den Reinigungsprozess erleichtern.
• Reinigungsindustrie: Tenside spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Shampoo, Geschirrspülmitteln, Waschmitteln und Produkten zur Staubentfernung auf Oberflächen.
• Emulgatoren und Lösungsvermittler: Sie werden auch als Emulgatoren und Lösungsvermittler in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt.

Aufgrund ihrer Struktur lassen sich Tenside wie folgt unterteilen:

• Nichtionische Tenside: Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie ionisierbare funktionelle Gruppen enthalten, die sich im Wasser nicht dissoziieren. Sie bestehen hauptsächlich aus einem polaren Teil mit Ethern und Alkoholen und einem unpolaren Teil, der die aliphatische Kette enthält, können aber auch nicht-aliphatische anionische Tenside sein.
• Ionische Verbindungen: Sie zeichnen sich durch eine starke Affinität zu Wasser aus, die auf die elektrostatische Anziehung ihrer Dipole zurückzuführen ist, wodurch sie die Fähigkeit besitzen, Kohlenwasserstoffketten mitzureißen.

Ionische Tenside lassen sich wiederum unterteilen in:

• Anionische Tenside: Sie sind die in der Industrie am häufigsten verwendeten Tenside und werden in großem Maßstab hergestellt, da sie eine hohe Wirksamkeit bei geringen Kosten bieten. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass ihr hydrophiler Teil aufgrund von Phosphat-, Sulfat-, Carboxylat- und Sulfonatgruppen eine negative Ladung aufweist.
• Kationische Tenside: Sie besitzen eine positive Ladung, wodurch sie sich besonders gut an Oberflächen anlagern und dort lange haften bleiben. Sie können die Oberflächeneigenschaften verändern und hydrophile Oberflächen in hydrophobe umwandeln und umgekehrt. Darüber hinaus haben Verbindungen wie Amine und deren Salze eine bakterizide Wirkung, wodurch sie bestimmte Mikroorganismen abtöten oder deren Wachstum hemmen.
• Amphotere Tenside:Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl anionische als auch kationische Gruppen enthalten, wobei sich das Molekül je nach pH-Wert verändert.

3. Vorhandensein von Tensiden im Abwasser

Wie wir gesehen haben, findet man häufig Rückstände von Reinigungsmitteln im Abwasser, sowohl im häuslichen als auch im industriellen Bereich.

Zu den negativsten Auswirkungen von Tensiden im Abwasser zählen insbesondere:

• Sie erhöhen den pH-Wert des Abwassers, was sich auf den Lebenszyklus von Wasserorganismen auswirkt.
• Sie führen zu einem Anstieg der Nährstoffkonzentration in den Gewässern, in die sie eingeleitet werden, was aufgrund der Einleitung großer Mengen an Phosphor zu einer starken Zunahme von Algen und üblen Gerüchen führt.
• Phosphate werden durch Substanzen wie Nitrilotriessigsäure (NTA) oder Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) ersetzt, die Schwermetallionen enthalten, die sich im Wasser lösen und von der Bevölkerung aufgenommen werden können.
• Quecksilber, Blei und Chrom sind Schwermetalle, die sich in Wasser lösen können und dadurch Störungen in der Nahrungskette oder genetische Schäden bei vielen Arten verursachen.
• Chlor und organische Chlorverbindungen können im Abwasser eine erhöhte Konzentration erreichen und aufgrund ihrer mutagenen und krebserregenden Wirkung zu einer Gefahr werden.
• Für den Abbau organischer Verbindungen, die aus Waschmitteln stammen, wird viel Sauerstoff verbraucht, was zu sauerstoffarmen Bedingungen führt und den Tod der Wasserflora und -fauna zur Folge hat.
• Sie haben einen direkten Einfluss auf die Sedimentations-, Flockungs- und Koagulationsprozesse in Kläranlagen.
• Sie verschmutzen das Grundwasser.
• Sie erzeugen große Mengen an Schaum, der auf dem Wasser schwimmt und zu Veränderungen im Sauerstoffgehalt führt, wodurch die Umwelt beeinträchtigt wird.

Die im Abwasser enthaltenen Tenside verursachen erhebliche Probleme, sobald sie in die Kläranlagen gelangen. Unter dem Einfluss der Belüftung bilden sie große Mengen an Schwimmschlamm, der nicht nur unansehnlich ist, sondern auch den Sauerstoffaustausch beeinträchtigt und zu Betriebsstörungen in den Anlagen führt.

Tenside verändern die Wasserqualität, da sie in verschiedene Prozesse eingreifen, beispielsweise in den Sauerstoffaustausch, wodurch die Sauerstoffverfügbarkeit verringert und der biologische Prozess beeinträchtigt wird.

Bildung von Mizellen

Wenn Tenside in einer Flüssigkeit gelöst werden, bilden sich kleine kugelförmige Strukturen (10–30 nm), die als„Mizellen“bezeichnet werden. Diese sind für verschiedene Anwendungen, wie beispielsweise die Reinigung und die Emulsionsbildung, von entscheidender Bedeutung. Mizellen bilden sich auf der Grundlage der folgenden Eigenschaften:

• Tenside haben einen polaren (hydrophilen) und einen unpolaren (hydrophoben) Teil.
• In einer Flüssigkeit gruppieren sich die Tensidmoleküle spontan, um die Oberflächenenergie zu minimieren.
• Die hydrophilen Teile richten sich zum Wasser hin aus, während sich die hydrophoben Teile im Inneren zusammenballen und eine kugelförmige Struktur bilden, die als Mizelle bezeichnet wird.
• Die Mizellen quellen auf und bilden Mikroemulsionen, wodurch sie das Auflösen von Ölen, Fetten, Kohlenwasserstoffen oder aromatischen Verbindungen wie Benzol und dessen Derivaten usw. erleichtern.

Eigenschaften von Mizellen

• Solubilisierung: Mizellen können wasserunlösliche Stoffe wie Fette und Öle einkapseln und so deren Löslichkeit erhöhen.
• Reinigungswirkung: Mizellen helfen dabei, Schmutz und Fett von festen Oberflächen zu entfernen.
• Emulsion: In Produkten wie Cremes und Lotionen emulgieren Mizellen wasserunlösliche Inhaltsstoffe.
• Kolloidale Stabilität: Mizellen halten die Partikel in kolloidalen Suspensionen dispergiert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mizellen zentrale Strukturen in der Tensidchemie sind. Sie sind entscheidend für die Wirksamkeit von Tensiden in einer Vielzahl von industriellen und Körperpflegeanwendungen, können aber auch die Löslichkeit unerwünschter Schadstoffe im Abwasser erhöhen.

4. Entfernung von Tensiden aus Abwasser

Da in den tensidhaltigen Abwässern Mizellen vorhanden sind, erfordert die Behandlung dieser Abwässer eine Destabilisierung der Mizellen durch eine ordnungsgemäße Koagulation in einem Medium mit geeignetem pH-Wert.

Häufig sind zudem Öle, Fette oder Kohlenwasserstoffe vorhanden, die zusammen mit den übrigen im Wasser enthaltenen Schadstoffen durch Flockung unter Zugabe eines geeigneten Polyelektrolyten abgeschieden werden müssen.  

Das Trennverfahren mittels Flotation mit gelöster Luft (DAF), auf das SIGMADAF sich besonders spezialisiert hat, ist am besten geeignet, da es neben seiner hohen Trennleistung einen Schwimmschlamm mit höherer Konzentration liefert als andere Behandlungsverfahren.

Es gibt Branchen, die aufgrund ihrer Tätigkeit im Bereich der Tenside Abwässer mit hohen Schadstoffkonzentrationen einleiten können. Dies ist ein Beispiel für eine Abwasseranalyse mit einem hohen Gehalt an Tensiden und anderen Schadstoffen. 

• Tenside (≥10 mg/l)
• BSB (≥3000 mg/l O₂)
• CSB (≥9000 mg/l O₂)
• Öle und Fette (≥950 mg/l)
• Aromastoffe wie Phenole (≥ 1 mg/l)
• Waschmittel (≥10 mg/l)

Eine hocheffiziente Kläranlage zur Reinigung von Abwasser, das Reinigungsmittel und andere Seifen enthält, besteht aus folgenden Stufen:

• Homogenisierung und pH-Einstellung
• Koagulation / Flockung
• Flotation mit gelöstem Luft (DAF)
• Aerobe biologische Behandlung
• Tertiäre Abwasserbehandlung mit MBR zur Rückgewinnung oder Einleitung
• Entwässerung von abgetrennten Schlämmen zur Deponierung.

In den meisten Fällen reicht ein DAF-System nicht aus, um die vorgeschriebenen Einleitungs- oder Wiederverwendungsgrenzwerte einzuhalten. Daher ist eine Nachbehandlung erforderlich, die aus einem aeroben biologischen Reaktor und einem DAF mit Rückführung des Belebtschlamms in die Oxidationszone besteht. Soll ein Teil oder der gesamte behandelte Abwasserausfluss wiederverwendet werden, empfiehlt sich die Installation eines Membran-Ultrafiltrationssystem (MBR).

In einer Produktionsanlage für Tenside können die Schadstoffkonzentrationen und der Gehalt an Glyceriden hoch sein, weshalb zunächst eine Emulsionsaufbrechung in saurem Medium erforderlich ist, um anschließend eine Koagulation, Flockung und DAF-Flotation durchzuführen, wie in der folgenden schematischen Darstellung gezeigt:

5. Zusammenfassung

Tenside sind vielseitige Moleküle, die sowohl in der Industrie als auch im Haushalt eine entscheidende Rolle bei der Reinigung, Emulgierung und Solubilisierung von Stoffen spielen.

Abwässer, die Tenside enthalten, bergen ein hohes Potenzial für negative Auswirkungen auf die Umwelt, da sie Schadstoffe enthalten, die die Löslichkeit toxischer Stoffe wie Kohlenwasserstoffe, Metalle, Öle und Fette u. a. erhöhen.  Zudem begünstigen die hohen Nährstoffkonzentrationen (insbesondere Phosphate) in diesen Abwässern das Auftreten von Eutrophierung, wodurch die Sauerstoffverteilung im Wasser gestört und das Leben im Wasser an den Einleitungsstellen beeinträchtigt wird.

Die Abwasseraufbereitungsanlagen, die zur Behandlung dieser Abwässer eingesetzt werden, bestehen in der Regel aus einem Koagulations- und Flockungsprozess, um die Mizellen, aus denen die Emulsionen bestehen, zu destabilisieren, gefolgt von einem DAF-System (Dissolved Air Flotation), in dem der größte Teil der suspendierten Feststoffe sowie ein Großteil der organischen Schadstoffe (Öle, Fette und Waschmittelrückstände) abgeschieden wird.

Diese DAF-Flotationssysteme werden auch als Nachklärbecken eingesetzt, und zwar im Anschluss an die aerobe biologische Behandlung, mit der die organischen Stoffe in diesen Abwässern oxidiert werden. Wird ein Teil oder die gesamte behandelte Abwassermenge wiederverwendet, kommt ein Membranbioreaktorsystem (MBR) zum Einsatz, das eine hohe Reduzierung der Schadstoffe ermöglicht und zu einer erheblichen Vereinfachung der Anlage führt.

Literaturhinweise und weiterführende Literatur

• TENSIDE – EMULSIONEN: EIGENSCHAFTEN UND HERSTELLUNGSVERFAHREN (1library.co)
• S302.pdf (firp-ula.org)
• Wie lassen sich Tenside im Abwasserstrom mit Hipo SS5600 von Bac-asili bekämpfen?
•  Industrieabfälle. Seifen und Waschmittel. | PDF | Seife | Waschmittel (scribd.com)