Der Wasserverbrauch der deutschen Industrie ist seit Jahren rückläufig. Doch vor dem Hintergrund der sich abzeichnenden Nutzungskonflikte (aktuelles Stichwort: die Gigafactory von Tesla in Brandenburg) liegt es im Interesse der Wirtschaft, den Umgang mit Wasser und Abwasser neu zu justieren. Die IFAT 2022 bietet dazu das perfekt passende Forum.

Die globalen Nachhaltigkeitsziele der UN, die ‚Sustainable Development Goals’ oder kurz ‚SDGs‘ könnten beim Ziel 6 quasi zum Motto der IFAT 2022 erkoren werden: „Bis 2030 die Wasserqualität durch Verringerung der Verschmutzung, Beendigung des Einbringens und Minimierung der Freisetzung gefährlicher Chemikalien und Stoffe, Halbierung des Anteils unbehandelten Abwassers und eine beträchtliche Steigerung der Wiederaufbereitung und gefahrlosen Wiederverwendung weltweit verbessern.“

Die bisherige Antwort darauf ist weithin ein veralteter End-of-Pipe-Ansatz: Das kommunal bzw. industriell verwendete Wasser wird zu Abwasser mit unterschiedlichen Schadstoffbelastungen – sie zu eliminieren ist dann Aufgabe der Klärwerke. Interessanter und unter dem Aspekt des Ressourcenschutzes viel attraktiver sind industrielle Wasserkreisläufe, die durch Wieder- und Weiterverwendung der Prozessabwässer eine höhere ‚Wassereffizienz‘ versprechen.

Es gibt vielfältige Möglichkeiten, produktionsinterne Wasserkreisläufe zu schließen oder Wasser zum Beispiel bei Spülprozessen in Kaskaden zu nutzen. Auch können industrielle Abwässer eines Betriebes so weit aufbereitet werden, dass sie als Prozesswasser oder Kühlwasser erneut nutzbar sind.

Inzwischen gibt es viele Beispiele einer erfolgreichen Wasserwiederverwendung, in der chemischen Industrie ebenso wie in der Automobil- oder der Lebensmittelindustrie. Bei Audi in Ingolstadt zum Beispiel werden industrielle Abwässer so weit wieder aufbereitet, dass sie als Prozesswasser bei der Fahrzeugproduktion eingesetzt werden können, wie AWS Gelsenwasser berichtet. Dow Chemical, der zweitgrößte Chemiekonzern der Welt, nutzt unter anderem im niederländischen Terneuzen den Ablauf der kommunalen Kläranlage, um Prozesswasser zu gewinnen.

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Ein vollständig abwasserfreier Betrieb (‚Zero Liquid Discharge‘, ZLD) könne – so German Water Partnership - durch die Kombination von abwasserfreien Produktionsverfahren und eine optimierte innerbetriebliche Wasserrückgewinnung erreicht werden. Abwasserlose Verfahren arbeiten typischerweise nach dem Prinzip der weitestgehenden Aufkonzentrierung (z.B. Umkehrosmose, Eindampfen oder Kristallisation) – das sind wohlgemerkt Technologien, die in der Regel mit einem erhöhten Energieverbrauch und entsprechend hohen Behandlungskosten einhergehen. Diese Aufwendungen reduzieren sich entsprechend, wenn das Abwasser bereits vorher umfassend behandelt wurde. Das ist durchaus umsetzbar: So ging bereits im Jahr 2016 in San José Chiapa (Mexiko) ein Audi-Werk in Betrieb, das ZLD umsetzt. Dort wird das gesamte Abwasser aufbereitet und anschließend als Betriebswasser, in der Produktion und zum Bewässern der Grünflächen des Werksgeländes eingesetzt.

„ZLD ist möglich, aber nicht immer sinnvoll“, lautet etwas einschränkend das Fazit der Envirochemie. Wo Wasser günstig und gut verfügbar sei, spiele Zero Liquid Discharge in der Regel keine Rolle. Sei Wasser hingegen Mangelware, lohne es sich häufig, den Wasserkreislauf zu schließen. Beispielsweise werden in einer Solarfabrik in Katar die salzhaltigen Abwässer so weit aufbereitet, bis sie für Kühlsysteme, Bewässerung oder Reinigungszwecke wiederverwertet werden können.

Der verbliebene Rest könne bedenkenlos ins Meer eingeleitet werden. Ein Automobilhersteller habe sich in seinem Motorenwerk in Kasachstan bei seinen ölhaltigen Abwässern für eine Zero Liquid Discharge-Lösung entschieden, weil er die Kosten der für die Abwasserbehandlung nötigen Verfahrenstechnik unter Kontrolle halten wollte. Im Übrigen verweist das Unternehmen darauf, dass ‚Zero‘ nicht zwangsläufig ‚Null‘ bedeute. Manchmal bleiben Fluide übrig, manchmal Feststoffe. Können Feststoffe zur Energiegewinnung verbrannt werden, entstehe aus ‚Zero‘ sogar ein ‚Plus‘.

Wenn der Betrieb abwasserfrei werden soll, oder wenn eine Produktion sehr reines Spülwasser benötigt, bietet sich die Vakuumdestillation an: Das Industrieabwasser wird verdampft, der Schmutz bleibt zurück, der aufsteigende Dampf ist frei von Verunreinigungen. Das Kondensat kann in der Produktion wiederverwendet werden. So entstehen aus 100 % Abwasser rund 98 % sauberes Wasser und nur 2 % Rückstand. Ein Beispiel aus der Praxis des Anbieters H2O: Das Werk Vendée Concept in La Roche-sur-Yon stellt Anlagen für die Lebensmittelindustrie her.

Bei der Herstellung ihrer Maschinen aus geschweißtem Edelstahl fällt Prozesswasser an: Spülwässer aus Beizprozessen und aus Passivierungsverfahren. Diese Abwässer wurden bisher vor Ort über eine chemisch-physikalische Anlage aufbereitet und gelangten dann in die öffentliche Kläranlage. Die heute installierte Verdampfungslösung ermöglicht die Kreislaufführung des aufbereiteten Prozesswassers (Destillat) im Produktionsprozess. Die Lösung für diesen Anwendungsfall ist ein Vacudest 90. Er behandelt 1,5 m³ pro Tag mit einem Verdichtungsfaktor von 14.

Mikroplastik vollumfänglich und ganzheitlich aus Wasser entfernen

Die Qualität des Destillats ist nach Erfahrung von H2O in einer Reihe von Applikationen so hoch, dass keine bzw. wenige Nachbehandlungsschritte notwendig sind. Die entstehenden Destillate seien nahezu öl- und schwermetallfrei. Bei extrem hohen Qualitätsanforderungen an das Prozesswasser sei die Nachbehandlung in Ionenaustauschern möglich, so der Anbieter.

Technologien zur Oxidation organischer Schadstoffe (Advanced Oxidation Processes, AOP) mit starken Oxidationsmitteln wie Hydroxyl- und Sulfatradikale sind eine attraktive Möglichkeit, gelöste organische Schadstoffe - sogenannte Mikroschadstoffe - effektiv aus Abwasser zu entfernen. Sie schließen die Lücke zwischen traditionellen physikalisch-chemischen und biologischen Verfahren.

Einige AOP kombinieren Ozon- und UV-Bestrahlung für eine bessere Behandlungseffizienz; sie sind bereits etablierte Verfahren für die Trinkwasser-Aufbereitung und Wasserwiederverwendung. Andere AOP wie elektrochemische Behandlung, Verwendung von Elektronenstrahlen, Plasma und Mikrowellen sowie Ultraschall-bezogene Prozesse befinden sich in der Entwicklung und Evaluierung.

Seit Oktober 2021 wird auf der Kläranlage der Entsorgungs- und Wirtschaftsbetriebe Landau dieser AOP-Prozess untersucht: Das Advanox + MicrOx-Verfahren kombiniert UV-C-Licht mit Wasserstoffperoxid, um hartnäckige Mikroverunreinigungen bestehend aus TOC, Zyanid, Pestiziden, Medikamentenrückständen, Röntgenkontrastmitteln und anderen komplexen organischen Schadstoffen zu entfernen. Das Verfahren wurde von den Unternehmen Van Remmen UV Technology und Nouryon entwickelt; als Kooperationspartner sind Abcr und Wasser 3.0 im Projekt eingebunden. Projektziel ist eine Lösung für kleine und mittlere Kläranlagen, die eine vollständige Schadstoffentfrachtung liefert und eine zukunftsfähige Alternative zu bestehenden, teils kostenintensiven und ineffizienten Prozessen bietet.

Die weitergehende Abwasserbehandlung in Kläranlagen ist eines der zentralen Themen auf der IFAT 2022. Die Industrie nutzt darüber hinaus immer häufiger vorab unterschiedlichste Technologien, um Prozessabwässer spezifisch aufzubereiten. (Bild: Tuttahs + Meyer)

Auch Mach & Partner ZT hat Mikroschadstoffe im Visier: Im Pilotprojekt Vorau (Steiermark) wird über einen Teilstrom aus dem Ablauf der Kläranlage eine Pilotanlage beschickt. Dort untersuchen die Projektpartner die Wirksamkeit hinsichtlich chemischer Bestandteile, mikrobiologischer Parameter und pharmazeutischer Wirkstoffe (insgesamt 16). Das Multibarrierensystem entfernt nach der herkömmlichen Abwasserreinigung in der Kläranlage zusätzlich organische Kohlenstoffverbindungen zu rund 85 %, Gesamtphosphat zu rund 80 % und fäkalrelevante Keime bis zu 100 %.

Für und Wider Zero Liquid Discharge

Im Klärwerk Schönerlinde im Nordosten Berlins starten die Berliner Wasserbetriebe die erste großtechnische Ozonanlage. Diese weitergehende Reinigungsstufe soll biologisch bisher nicht abbaubare Spurenstoffe entfernen, darunter auch bestimmte Arzneimittel. Neben mehreren geschlossenen Reaktionsbecken werden Anlagen zur Herstellung des Ozons aus Sauerstoff sowie zur Vernichtung von dessen Resten nach getaner Arbeit sowie ein Pumpwerk errichtet. Das Klärwerk Schönerlinde ist die drittgrößte Berliner Kläranlage. Darin wird das Abwasser von rund 800.000 Menschen aufbereitet. Insgesamt werden 48 Mio. Euro investiert.

Wenn ab Ende 2023 das zuvor bereits mit klassischer Technik weitgehend gereinigte Wasser durch die Ozonanlage fließt, spaltet das Ozon (O3) schwer abbaubare organische Spurenstoffe, etwa bestimmte Arzneimittel, durch eine Zwangsoxidation auf. Die dabei entstehenden Transformationsprodukte sind dann zumeist biologisch abbaubar bzw. werden durch Filtration zurückgehalten. Gleichzeitig eliminiert die Ozonung Keime im Abwasser.

Um Pulveraktivkohle zur Spurenstoffelimination ressourcen- und kostensparend nutzen zu können, offeriert Tuttahs & Meyer ein spezielles Kombibecken (erstmals 2012 auf der Kläranlage Sindelfingen eingesetzt); es biete sowohl bezüglich des Verbrauchs an Fläche (Boden) und Beton als auch hinsichtlich der Kosten erhebliche Vorteile gegenüber einer konventionellen aufgelösten Bauweise. Dabei ist im außen liegenden Ring das Kontakt- und Mischbecken, im inneren Rundbeckenteil findet die Sedimentation statt.

Desotec verweist auf diese optimierte Nutzung: Ein multinationaler Pharmakonzern stellt in seinem Werk in Katalonien Impfstoffe und Medikamente her. Dabei fällt Abwasser an, das in der Regel adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) enthält, einschließlich Trichlormethan (Chloroform), Chlorphenolen und Chlorbenzol. Im Abwasser sind zudem bromierte Bestandteile und jodhaltige organische Stoffe enthalten.

Die Konzentrationen in diesem spanischen Werk waren zwar sehr niedrig und schwankten zwischen zwei und sechs mg/l, aber die Gesetzgebung ist aufgrund der potenziellen Schädlichkeit dieser Verbindungen für die menschliche Gesundheit und die Umwelt sehr streng. Das Unternehmen hatte sich zum Ziel gesetzt, die Schadstoffe komplett zu entfernen und installierte eine zweistufige Behandlung: eine Biofiltrationsanlage zum Abbau organischer Komponenten, anschließend eine Aktivkohlefiltration zur Entfernung von AOX. Die Biofiltration funktionierte gut. Die Aktivkohleanlage war jedoch ineffizient: Der Anwender hatte versucht, zwei bestehende Absetzbecken in Filter zu verwandeln, indem er sie mit insgesamt 800 kg Aktivkohle füllte. Ergebnis: die Aktivkohle war schnell gesättigt und musste nach drei Wochen ausgetauscht werden. Problem 1: Für diesen Austausch war eine Unterbrechung der Produktion notwendig. Problem 2: Es waren große Mengen an verbrauchter Aktivkohle zu handhaben und zu entsorgen.

Nun ist dort ein mobiler Mobicon-Filter von Desotec installiert, der nur einmal pro Jahr ausgetauscht werden muss. Steht ein Filterwechsel an, organisiert der Anbieter den ganzen Prozess: Die verbrauchte Aktivkohle wird von der Anlage weg zu Öfen in Belgien transportiert, wo die Aktivkohle reaktiviert und Schadstoffe beseitigt werden.

An der TU Dresden entwickeln Experten ein Verfahren, das die chemischen Verbindungen naturfremder Rückstände aufspalten kann. Dieses Biofiltersystem funktioniert auf der Basis bestimmter Pilzenzyme. Nur Ständerpilze (Basisdiomyceten) besitzen diesen Enzym-Cocktail. Sie können ringförmige chemische Verbindungen, wie sie auch die kritischen Xenobiotika besitzen, aufspalten und schließlich zu deren Entfernung beitragen. Ziel ist es, die Enzyme zu isolieren, sie an hochporöse metallische Werkstoffe zu binden und sie in Filter am Ende der Kläranlagen einzubauen. Sobald die Enzyme nicht mehr arbeiten, werden die Kugeln entnommen, erhitzt und mit neuen Enzymen versehen. Als Trägermaterial wurden verschiedene Materialien erfolgreich getestet: metallische Hohlkugeln aus einem Sintermaterial, die kaum 4 mm groß sind, Metallschäume, Membranen und Luffa-Schwämme – ein Naturmaterial, das als Naturstoff reichlich und günstig verfügbar ist und nach der Nutzung im Filter auch noch biologisch abgebaut werden kann. Die Fixierung auf einem Träger ist wichtig, damit die Enzyme in einem Filtersystem an Ort und Stelle arbeiten können.

Mit oxidativen und elektrolytischen Verfahren ist es möglich, auch schwer abbaubare, gelöste Kontaminationen oder Schadstoffe entweder direkt zu oxidieren oder über Hydroxid-Flocken zu fällen. Mit neuen am Fraunhofer IGB entwickelten Technologien entstehen nur durch die Behandlung mit Strom (Elektrolyse) oder durch energiereiche UV-Strahlung (Photolyse) reaktive Hydroxylradikale, welche die organischen Moleküle zu abbaubaren Verbindungen bzw. vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidieren – ohne Zugabe von Chemikalien. Hierfür stehen mehrere Versuchsaufbauten für kontinuierliche und diskontinuierliche Versuche sowie mobile Anlagen für Untersuchungen vor Ort zur Verfügung. Derzeit stehen industrienahe Untersuchungen mit Deponiesickerwasser und Textilabwasser im Fokus.

Molkeproteine und Aktivkohle - dieses Duo filtert radioaktive Elemente aus verseuchtem Wasser, wie ETH-Forschende gezeigt haben. Abwässer aus Spitälern und aus Reaktorunfällen könnten so harmlos gemacht werden. Die Filtermembran eliminiert radioaktive Isotope auf breiter Basis. Sie bindet demnach alle radioaktiven Isotope, die im Periodensystem zwischen Technetium und Uran liegen. Dazu zählen auch radioaktives Cäsium, Iod, Silber und Kobalt, die im Abwasser von Fukushima vorhanden sind. Einzig Tritium bindet vermutlich nicht an die Membran, weil es zu klein ist. Nicht nur bei Reaktorunfällen, sondern auch in Spitälern fallen radioaktive Abwässer an. So nutzen Ärzte Radionuklide für Krebsbehandlungen oder als Kontrastmittel bei bildgebenden Verfahren.

Im Labor eliminiert die Membran drei in der Medizin verwendete Radionuklide fast vollständig. Auch in einer realen Abwasserprobe aus einem Schweizer Spital funktioniert die Technologie: Die in der Probe enthaltenen radioaktiven Elemente Iod-131 und Lutetium-177 werden fast vollständig aus dem Wasser entfernt, wie im Fachmagazin Environmental Science: Water Research & Technology berichtet wird. Die Membran erlaubt es demnach, das Abfallvolumen massiv zu verkleinern und die strahlenden Elemente als Feststoffe kompakt und trocken zu lagern. Die filtrierten Flüssigkeiten könnten in die Kanalisation abgeleitet werden.

Chemiker der Universität Prag haben ein elegante Verfahren entwickelt, mit dem sich Arsen und das Herbizid Atrazin aus belastetem Wasser herausfiltern lassen: Es beruht auf magnetischen Nanopartikeln. Diese bestehen aus einem Eisenoxid-Kern und einer Hülle aus einem speziellen Polymer, an das Arsen-Ionen und Atrazin-Moleküle andocken. Mit einem Magneten lassen sich diese Partikel in verunreinigten Flüssigkeiten umher bewegen und, wenn das Wasser sauber ist, quasi herausfischen. Werden die Partikel auf 5 °C abgekühlt, geben sie die Giftstoffe ab – und lassen sich wieder verwenden.

Voraussetzung für einen großtechnischen Einsatz von Pulveraktivkohle ist ein nahezu vollständiger Rückhalt der dosierten Kohle mittels Filtration - um zu vermeiden, dass Teile davon in die Gewässer gelangen, darauf verweist Huber. Der Rodisc-Scheibenfilter biete sich dafür als kostengünstige Lösung an, die einfach in bestehende Kläranlagen integriert werden könne, wie der Einsatz im Klärwerk Mannheim zeige. Dort erfolgte die Bewertung des Feststoffrückhalts durch den Scheibenfilter nicht nur anhand der Trübung, sondern außerdem durch einen optischen Vergleich von mit Feststoffen belegten Membranfiltern (0,45 µm Porenweite).

Die Grafik zeigt das Konzept für eine alternative Betriebswasserversorgung. (Bild: Multi-ReUse)

Die Einschätzung wurde mittels rein optischer Kriterien vorgenommen, im Hinblick auf die Schwarzfärbung der Membranfilter, was einen einfachen Vergleich des Rückhalts zulässt. Auch anhand dieser Sichtscheiben konnte aufgezeigt werden, dass die Pulveraktivkohle weitgehend durch den Rodisc-Scheibenfilter zurückgehalten wird.

Aus Klärschlamm und Plastikmüll wird CO2-neutraler Wasserstoff

Auch in der Industrie gewinnt die Wertschätzung von Wasser an Bedeutung: Smarte Aufbereitungs-Technologien ermöglichen eine Wieder- und Weiterverwendung der Prozessabwässer und gewährleisten eine höhere ‚Wassereffizienz‘. Die Potenziale der Wasserwiederverwendung wurden Ende November 2021 bei der "Blue Planet Berlin Water Dialogues" untersucht. Eine Kernaussage: Die Zeit ist reif!. 

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