Behandlung von Abwässern aus der Metallverarbeitungsindustrie

Metallbearbeitungsabwässer

Der Metallbearbeitungssektor besteht aus vielen Unternehmen, die sehr unterschiedlich sind, obwohl sie dieselben Materialien verwenden und dieselben Abfälle und Abwässer erzeugen.

Die wichtigsten Unternehmen in diesem Sektor sind die Metallverarbeitung und der Kesselbau.

Ersteres umfasst alle Arten von Metallkonstruktionen aus Rohren, Profilen, Blechen sowie verschraubten, genieteten und geschweißten Teilen.

Der Kesselbau vereint eine große Auswahl an Teilen und Ausrüstungen, die aus Blech gefertigt werden, einschließlich wasserdichter Verbindungen. Die Produkte können von einem typischen Tank über einen Wärmetauscher oder Verdampfer bis hin zu Rohren, Kanälen oder Spulen reichen.

Weitere Tätigkeiten in diesem Sektor sind die Metallverarbeitung ohne Zerspanung (durch Stanzen, Ziehen, Tiefziehen oder Bechern); Zerspanung (z. B. Fräsen, Drehen, Schleifen und Schneiden) und Oberflächenbehandlung, basierend auf thermischen und Oberflächenverfahren. Somit ist die Vielfalt der Tätigkeiten sehr groß.

Gemeinsam ist diesen Techniken, dass sie dieselben Materialien als Rohstoffe verwenden: z. B. Stahl, Eisen, Edelstahl und Aluminium, die auch ähnliche Umweltauswirkungen haben.

Grundsätzlich führen jene Vorgänge mit den größten Umweltauswirkungen zur Emission schädlicher Gase und Schadstoffe in die Atmosphäre, zur Produktion von flüssigen Abwässern, die vor der Einleitung ordnungsgemäß behandelt werden müssen, sowie zu festen Abfällen.

Aufgrund ihrer Natur ist diese Industrie ein großer Verbraucher von Schmierölen, die intensiv eingesetzt werden, um Schmierung und Kühlung bei den verschiedenen Arten von Schneid-, Form- und mechanischen Behandlungen von Metallteilen zu erleichtern.

Nach der Verwendung werden diese Schmieröle zu kontaminiertem flüssigem Abfall, der ordnungsgemäß entsorgt werden muss.

Von allen verwendeten Produkten sind die Schneidöle am wichtigsten, die hauptsächlich in der Metallzerspanungsindustrie aufgrund folgender Eigenschaften eingesetzt werden:

• Schmierung: Schutz der Werkzeuge durch Reduzierung der Reibung.
• Kühlung: Verhinderung von Überhitzung der Teile und Werkzeuge, was zu Mikroschweißungen und schlechter Oberflächenqualität führen würde.
• Entfernung von Abriebmaterial: Verhinderung von Beschädigungen der Teile.
• Verhinderung von Korrosion an Maschinen und Teilen.

Daher ist der Einsatz von Schneidöl bei Prozessen mit direktem Kontakt zwischen dem bearbeiteten Metallteil und dem verwendeten Werkzeug notwendig, aufgrund seiner Eigenschaften der Schmierung, Kühlung, Entfernung der Späne und Feilspäne sowie der Verhinderung von Rostbildung.

Eigenschaften von Schneidölen als Schadstoff

Mit der Nutzung von Schneidöl nimmt die Wirksamkeit seiner Eigenschaften ab, seine Leistung sinkt und es wird mit Fremdstoffen wie Ölen, Fetten, Metallpartikeln, Umweltschmutz und Mikroorganismen, die organische Substanzen abbauen, kontaminiert.

An diesem Punkt ist das Schneidöl ein hochgradig umweltschädlicher Abfall, sowohl für die Umwelt als auch für das Arbeitsumfeld, und wird gemäß europäischer Vorschriften als gefährlicher Abfall eingestuft.

Zu seinem Schadstoffpotenzial kommt hinzu, dass seine ordnungsgemäße Entsorgung sehr kostenintensiv ist, da es einen hohen Wasseranteil enthält, der das Volumen des ursprünglichen Abfalls erhöht und eine starke Emulsion bildet, die die Trenn- und Reinigungsprozesse erschwert.

Das in der Formulierung der Schneidöle enthaltene Öl verbessert die Schmierfähigkeit, während Wasser zur Erhöhung der Kühlleistung hinzugefügt wird.

Daher gibt es viele verschiedene Arten von industriellen Schneidölen – die in Wirklichkeit Öl-Wasser-Emulsionen sind – je nachdem, welche Eigenschaften verstärkt werden sollen.

Da Wasser und Öl die Hauptbestandteile von Schneidölen sind, können auch zahlreiche Additive eingearbeitet werden, insbesondere folgende:

• Tenside: Natriumsulfonate und Glycole
• Korrosionsinhibitoren: z. B. Amine, Amide, Borate und Nitrite.
• Feuchthaltemittel: z. B. Alkohole und Phosphate.
• Entschäumer: z. B. Ester, Silikone und ethoxylierte Derivate.
• Biozide: z. B. Formaldehyd, Phenole, Borverbindungen und Polyglycole.
• Additive für Hochdruckbetrieb

Der Einsatz von Schneidölen erfolgt kontinuierlich und periodisch, bedingt durch den Verlust ihrer Eigenschaften und den Nettoverbrauch durch Verschüttungen und Mitnahme an den Teilen.

Die kontinuierliche Nutzung von Schneidöl führt zu einem Abbau seiner Eigenschaften durch die hohen Temperaturen, die bei der Metallzerspanung erreicht werden, während die flüchtigsten Bestandteile verdampfen.

Der Verlust von Schneidöl durch Verschüttungen, Mitnahme an den Teilen sowie das im Werk anfallende Abwasser bilden den als „Ölhaltiges Wasser“ bekannten Abfluss.

Zudem werden Schneidölbäder mit zunehmender Nutzung durch metallische Verunreinigungen kontaminiert und unterliegen mikrobiologischen Abbauprozessen; daher müssen sie regelmäßig ergänzt werden, was zur Entstehung von flüssigem Abfall namens „verbraucht Schneidöl“ führt.

In Unternehmen mit hohem Schneidölverbrauch gibt es Schneidölrückgewinnungsanlagen, die die Nutzungsdauer der Schneidölbäder durch ein Verfahren zur Trennung von Metallspänen und -feilen etwas verlängern.

Somit erzeugen Prozesse, die Schneidöl verwenden, toxische und reizende Abwässer, die Schwermetalle, Biozide und toxische Zersetzungsprodukte enthalten, welche gemäß europäischer Vorschriften als gefährlicher Abfall eingestuft sind und nicht in das öffentliche Abwassernetz eingeleitet werden dürfen, da sie schwerwiegende Probleme in Kläranlagen verursachen würden.

Die meisten herkömmlichen Verfahren zur Behandlung von Schneidölen müssen vor allem aus zwei Gründen überprüft und aktualisiert werden.

Erstens aufgrund der immer strengeren und restriktiveren Einleitungsbestimmungen; zweitens aufgrund zunehmender Schwierigkeiten bei der effektiven Behandlung. Diese Schwierigkeiten resultieren aus jüngsten Änderungen in der Formulierung von Schneidölen, die zulasten von Öl-Emulsionen synthetischer geworden sind, was die Trennung der Ölphase erschwert.

Neben dem Schneidöl enthalten die im Metallbearbeitungssektor anfallenden Abwässer Schwebstoffe, verschiedene Metalle, Phosphate und Tenside und sind hoch leitfähig.

Behandlung von Schneidöl

Es gibt verschiedene Methoden zur Behandlung von Abwässern, die in destruktive und nicht destruktive Verfahren eingeteilt werden können.

Nicht destruktive Methoden umfassen chemische Behandlung, Membranverfahren und Verdampfung.

Zu den destruktiven Methoden zählen biologische Behandlung, Verbrennung und fortschrittliche Oxidationsverfahren (Nassoxidation und superkritische Wasseroxidation, SCWO).

Im Folgenden werden die verschiedenen Behandlungsalternativen einzeln analysiert:

Chemisches Verfahren

Dies war eines der gebräuchlichsten Verfahren im letzten Jahrhundert, da die Basis gut bekannt und leicht auf ein breites Spektrum zu behandelnder Durchflüsse skalierbar ist.

Die Behandlungsphilosophie beruht auf dem Aufbrechen der Emulsion durch Neutralisierung der Oberflächenladungen. Traditionell wurde dies durch Zugabe anorganischer Säuren wie Schwefel- oder Salzsäure und Salzen wie Natrium-, Eisen-, Magnesium- oder Calciumchlorid oder Eisen- oder Aluminiumsulfat erreicht.

Die Zugabe einer ausreichenden Menge an Kationen führt zum Demulgierungsprozess.

Allerdings hat sich die Formulierung von Schneidölen dahingehend geändert, dass stabilere Produkte entstehen, die dem Angriff der in den Metallzerspanungsprozessen freigesetzten Kationen widerstehen, welche die Emulsion zu brechen versuchen.

Dies hat dazu geführt, dass diese Methode der Schneidölbehandlung weniger effektiv geworden ist, da Emulgatoren und Dispergiermittel in der Formulierung hinzugefügt werden.

Eine Alternative zur Zugabe anorganischer Salze ist der Einsatz von Polymeren zum Aufbrechen der Emulsion. Das Prinzip ist dasselbe, wobei hochgeladene Kation-Polymere verwendet werden, um die negativen Ladungen der Öltröpfchen zu destabilisieren.

Die übrigen im Abwasser begleitend zu den Schneidölen vorhandenen Verunreinigungen können in diesem Prozess ebenfalls entfernt werden. Das physikalisch-chemische Verfahren muss jedoch an die genaue Zusammensetzung des Abwassers angepasst werden.

Membranverfahren

Ultrafiltrationsmembranen werden verwendet, da Mikrofiltrationsmembranen nicht über ausreichende Rückhaltekapazität verfügen und Nanofiltrations- sowie Umkehrosmosemembranen leicht durch organische Verbindungen mit hohem Molekulargewicht verunreinigt werden.

Ultrafiltration hat bei niedrigem Druck gute Ergebnisse erzielt, obwohl es bestimmte Betriebsbedingungen gibt, die die Membranen nicht tolerieren, wie mäßig hohe Temperaturen (über 60 °C), extreme pH-Werte, hohe Feststoffmengen, große Mengen nicht emulgierter Öle und das Vorhandensein von Lösungsmitteln.

Außerdem darf nicht vergessen werden, dass Moleküle mit niedrigem Molekulargewicht die Ultrafiltrationsmembran leicht passieren können.

Vakuumverdampfung

Vakuumverdampfung ist eine effektive Behandlung für jene Abwässer, die mit konventionellen Methoden nicht behandelt werden können.

Es handelt sich um eine einfache, robuste und ausgereifte Technologie zur effizienten Behandlung von ölhaltigen Wässern, die sich gut an Änderungen sowohl des Volumens als auch der Konzentration des zu behandelnden Abwassers anpasst.

Die Technologie hat sich in den letzten Jahrzehnten so weit entwickelt, dass der Energieverbrauch moderat ist, und dies ist eine der wettbewerbsfähigsten Behandlungsalternativen. Dies trägt sowohl zur Qualität des separierten Wassers als auch zum geringen Abfallvolumen bei.

Tatsächlich ist es die einzige Behandlungsalternative, die in der Lage ist, das Abwasservolumen eigenständig auf sehr geringe Mengen zu reduzieren, ohne zusätzliche Prozesse zu benötigen.

Biologische Behandlung

Aufgrund der in der Formulierung von Schneidölen enthaltenen antimikrobiellen Wirkstoffe, die das Produkt vor mikrobiologischem Abbau schützen, wie Borverbindungen, Phenole, Formaldehyd und Polyglycole, ist die biologische Behandlung von Abwasser als alleiniges Verfahren nicht sehr effektiv.

Die biologische Behandlung muss mit einem vorgelagerten physikalisch-chemischen Prozess kombiniert werden, um akzeptable Reinigungsgrade zu erreichen, wobei manchmal eine tertiäre Behandlungsstufe zur Reinigung des behandelten Abwassers erforderlich ist.

Verbrennung

Die direkte Verbrennung von Ölen und Fetten ist aufgrund der freigesetzten Energie eine machbare Alternative; jedoch enthält das in dieser Industrie anfallende Abwasser einen hohen Wasseranteil, was die Verbrennung dieses Abwassers ohne vorgelagerte Verdampfung nicht praktikabel macht.

Fortschrittliche Oxidationsverfahren: Nassoxidation und superkritische Wasseroxidation (SCWO)

Die Nassoxidation erfolgt in der wässrigen Phase bei mäßig-hohem Druck und Temperaturen (50-200 bar und 100-300 °C). Abwässer mit hohen Belastungen oder toxischen Verbindungen, die mit konventionellen Methoden nicht wirtschaftlich behandelt werden können, sind unter diesen Bedingungen behandelbar.

Die superkritische Wasseroxidation unterscheidet sich von der Nassoxidation dadurch, dass Druck- und Temperaturbedingungen den kritischen Punkt des Wassers (221 bar und 374 °C) überschreiten.

Unter superkritischen Bedingungen ist die Zerstörungseffizienz von Schadstoffen sehr hoch, selbst bei kurzen Reaktionszeiten.

Beide Technologien haben eine hohe Zerstörungskapazität für refraktäre Verbindungen, wobei SCWO besser ist als Nassoxidation; jedoch machen die hohen Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten der Nassoxidation diese Technologie weniger wettbewerbsfähig.

Außerdem ist nach der vollständigen Oxidation aller organischen Schadstoffe ein zusätzlicher Prozess zur Behandlung anderer Verunreinigungen, wie Metalle, erforderlich.

Die folgende Tabelle vergleicht die wichtigsten Variablen zur Auswahl der verschiedenen Behandlungsalternativen für Schneidölabwässer:

Fazit

Der Metallbearbeitungssektor umfasst somit eine große Gruppe von Unternehmen mit einigen gemeinsamen Merkmalen, insbesondere der Verwendung von Schneidölen, um die Arbeit bei direktem Kontakt zwischen dem bearbeiteten Teil und dem verwendeten Werkzeug zu erleichtern.

Schneidöle sind Öl-Wasser-Emulsionen mit vielen Additiven, die ihre Eigenschaften bei der Nutzung verlieren und ergänzt werden müssen.

Durch deren Verwendung, Verschüttungen und Mitnahme können sie in das Abwasser und Reinigungswasser gelangen.

Nicht alle Verfahren sind zur Behandlung dieser flüssigen Abwässer geeignet, die neben Schneidölen weitere Verunreinigungen wie Schwebstoffe, Metalle, Phosphate, Tenside enthalten und hoch leitfähig sind.

Zu den wettbewerbsfähigsten Behandlungsverfahren zählen Ultrafiltrationsmembranen und Vakuumverdampfung, wobei Letztere das einzige Verfahren ist, das das Abwasser auf ein Minimum an zu entsorgendem Abfall reduzieren kann.