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Vorkommen von Verunreinigungen im Abwasser

Das reinste natürliche Wasser findet sich in der Atmosphäre in Form von Dampf. Während seines Niederschlags auf dem Land als Regen nimmt es Verunreinigungen mit, die in der Luft schweben (Staub, Pollen usw.). Ein bedeutender Teil dieses Wassers gelangt ins Meer, was zur Aufrechterhaltung des Salzgehalts und zur Reinigung dieses Mediums beiträgt, während der Rest die feste Oberfläche des Planeten speist, Flüsse, Sümpfe und Seen sowie unterirdische Aquifere nährt. Zusätzlich gibt es Wasser, das in fester Form während der Winterperioden und/oder an hohen Bergpunkten niederschlägt.

Reines Wasser neigt dazu, sich zur Stabilität zu verbinden, was es zu einem guten Lösungsmittel macht. So integrieren sich die löslichen Mineralsalze, denen es unterwegs begegnet, durch einen als Lösung bezeichneten Prozess in seinen Körper, was wesentlich zum Phänomen der Erosion und Umgestaltung des Landes beiträgt.

Diese gelösten Salze tragen zur Trinkbarkeit und Leitfähigkeit des Wassers bei, aber wenn bestimmte Salzgehaltsgrenzen überschritten werden, werden sie zu einem zu behandelnden Schadstoff.

Die Entfernung dieser Salze erfolgt auch, wenn Prozesswasser mit niedrigem oder keinem Salzgehalt (demineralisiertes Wasser) benötigt wird oder wenn bestimmte spezifische Verunreinigungen selektiv getrennt werden müssen, wie im Fall der Enthärtung, der Nitratentfernung oder selektiven Trennungen bestimmter Kationen und Anionen.

Neben anorganischen Verbindungen kann Wasser auch organische Verunreinigungen pflanzlichen und tierischen Ursprungs sowie andere Schadstoffe wie organische Verbindungen, Bakterien, Viren usw. enthalten. Ein großer Teil der Wasserverschmutzung stammt jedoch aus menschlichen Aktivitäten, sowohl im Haushalt als auch in der Industrie.

Wasseraufbereitungstechnologien ermöglichen die Trennung verschiedener Partikeltypen basierend auf ihrer Größe und Beschaffenheit. So wird Wasser für die Wiederverwendung oder Einleitung regeneriert.

Diese Technologien können nach der Größenordnung gruppiert werden, auf der sie zur Trennung basieren.

Trennverfahren für Abwasser

Trennung von Verunreinigungen nach Masse

Zur Trennung großer oder mittelgroßer Feststoffe (bis ca. 1 mm) werden rein physikalische Systeme eingesetzt. Dazu gehören Siebe, Gitter und Rechen, die nichts anderes als offene Filterprozesse mit einer Durchgangsgröße sind, die der Größe der Feststoffe entspricht. Die Entnahme der getrennten Feststoffe erfolgt mechanisch und wird üblicherweise mit manuellen Rechen oder automatischen Kämmen durchgeführt.

Weitere physikalische Trennverfahren sind Dekantation und Flotation, die die Entfernung von Schwebstoffen ermöglichen. Flotation kombiniert Sedimentation mit der Flotation weniger dichter Materialien, mit oder ohne Unterstützung durch eingeblasene Luft.

Dekantation und Zentrifugation sind Trennverfahren, die die Unterschiede in Masse und Dichte der Partikel im Vergleich zum Lösungsmittel ausnutzen, um die Trennung zu erreichen. Je schwerer die Partikel, desto leichter die Trennung.

Oft werden chemische Reagenzien (Flockungsmittel und Koagulantien) eingesetzt, um höhere Trennleistungen zu erzielen. Diese Kombination aus chemischen und physikalischen Prozessen wird als physikochemischer Prozess bezeichnet.

Alternativen zur Zentrifugation bei der Behandlung von Abwässern mit hoher Schlammfracht sind beispielsweise die Trennung mittels Filterpressen oder Bandfiltern, die Filtertücher zur Feststofftrennung verwenden.

Trennung von Verunreinigungen nach Größe

Für die Trennung größerer Verunreinigungen werden folgende Verfahren eingesetzt:

  • Einfache Filtersysteme in Sandbetten.
  • Duale Sand-/Anthrazitsysteme.
  • Diatomeenerde- oder Mischsysteme.

Dies sind physikalische Trenntechnologien, die Perkolation nutzen, um feste Verunreinigungen im Filterbett zurückzuhalten. Diese Filtersysteme erreichen zuverlässige Trennstufen von 50 – 100 μm.

Zur Filtration kleinerer Partikelgrößen werden Trenntechnologien mit Mikrofiltrations-, Ultrafiltrations- und Nanofiltrationsmembranen eingesetzt. Bei der Filtration auf diesen Ebenen werden Maßeinheiten wie Mikrometer und Dalton verwendet.

Trennung von Verunreinigungen durch Diffusion

Wenn die Salzbelastung von Abwasser reduziert werden muss, können anspruchsvollere Behandlungen gewählt werden, wie Diffusion durch semipermeable Membranen, z. B. Umkehrosmose, Dialyse oder Elektrodialyse. Diese Technologien reduzieren die Gesamtsalinität (TDS) um über 99 %. Die Maßeinheit ist Armstrong, in der Praxis wird jedoch die Leitfähigkeit (μS/cm) des behandelten Wassers, genannt Permeat, gemessen.

Filtrationstechnologien (Mikrofiltration, Ultrafiltration und Nanofiltration) nutzen den Größenunterschied der zu trennenden Partikel im Verhältnis zur Porengröße der Membran. Dies trifft bei der Umkehrosmose nicht zu.

Die Umkehrosmose nutzt die Diffusion oder Permeabilität, die Verunreinigungen haben, um eine Membran zu durchdringen. Während das Lösungsmittel die Membran relativ leicht durchdringt, können suspendierte und gelöste Partikel dies nicht oder nur sehr schwer.

Dasselbe Prinzip gilt auch für Dialyse- und Elektrodialyseverfahren, wobei bei letzterem die Anlegung eines elektrischen Potentials als treibende Kraft wirkt, die die Trennung ermöglicht.

Trennung von Salzen nach Ionenladung

Ionenaustauscherharze sind eine weitere effiziente und beliebte Technologie zur Salztrennung, da sie demineralisiertes Wasser von hoher Qualität (Leitfähigkeit ≤ 0,1 μS/cm) erzeugen.

Zur Gewinnung von ultrapurem Wasser werden sogenannte Mischbetten (MB) aus kationischen und anionischen Harzen verwendet oder Mischsysteme aus Membranen und Harzen, bekannt als Elektrodeionisation (EDI).

Beim Ionenaustausch ermöglicht die Ionenladung die Unterscheidung zwischen Ionen. Beispielsweise tauscht ein kationisches Harz Ionen mit positiver Ladung (Kationen) aus, ohne mit Ionen mit negativer Ladung (Anionen) zu interagieren.

Trennung nach Dampfdruck

Die Destillation trennt und kondensiert jede Verbindung durch das Sieden des Abwassers. Die verschiedenen Verunreinigungen werden an unterschiedlichen Punkten von Verdampfung, Kondensation und Dampfdruck getrennt.

Dieser Prozess basiert auf den unterschiedlichen Dampfdrucken der reinen Substanzen, aus denen das zu behandelnde Gemisch besteht. Je größer der Unterschied zwischen den Dampfdrucken der verschiedenen Komponenten des Gemischs, desto leichter trennen sich die Substanzen durch Destillation.

Trennung nach Löslichkeit

Die unterschiedliche Löslichkeit eines gelösten Stoffes in einem Fluid oder einem anderen ermöglicht eine effektive Trennung durch Absorption oder Extraktion.

Trennung nach Oberfläche

Aktivkohle bietet große Oberflächen mit hoher Oberflächenspannung aufgrund ihrer morphologischen Porosität und mikroelektrischen Ladungsdifferenziale. Diese Eigenschaften begünstigen die Anhaftung kleiner Partikel.

Trennung von Verunreinigungen durch Vakuumverdampfung und Kristallisation

Vakuumverdampfer ermöglichen das Sieden von Abwasser bei niedrigen Temperaturen durch Betrieb im Vakuum. Dies spart erheblich Energie, während Verunreinigungen getrennt und entwässert werden, bis sie in sogenannten Vakuumkristallisatoren kristallisieren. Dieser Prozess liefert kondensiertes Wasser von höherer Qualität.

Vakuumverdampfer zeichnen sich bei der Behandlung komplexer Abwässer aus, da sie hohe Konzentrationen der getrennten Stoffe ermöglichen, die manchmal rückgewonnen werden können.

Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Methoden und Technologien zur Trennung von Verunreinigungen im Abwasser:

Konzentration der getrennten Verunreinigungen

Die durch die in diesem Artikel analysierten Technologien getrennten Rückstände weisen Konzentrationen zwischen 1 – 4 % auf, mit Ausnahme der in Sieben und Gittern getrennten, die höhere Konzentrationen haben.

Die meisten dieser Verunreinigungen müssen an autorisierte Entsorger abgegeben werden, weshalb es wichtig ist, ihr Volumen zu minimieren, um Entsorgungs- und Transportkosten zu senken. Zudem akzeptieren Deponien mit wenigen Ausnahmen keine Abfälle mit Konzentrationen unter 30 % TS, weshalb diese Konzentrationsprozesse mittels verschiedener Entwässerungssysteme durchlaufen müssen.

Die gebräuchlichsten Verfahren zur Volumenreduzierung sind mechanische Filtersysteme wie Filterpressen und Bandfilter, die Filtertücher zur Konzentration der Abfälle verwenden, oder Zentrifugen, die diese durch Zentrifugalkraft konzentrieren. Diese Rückstände werden üblicherweise Koagulations- und Flockungsprozessen unterzogen, um die Leistung der mechanischen Trocknung zu verbessern.

Wie im vorherigen Abschnitt angegeben, gibt es weitere Systeme zur Trennung und Konzentration von Verunreinigungen, wie Verdampfung und Vakuumkristallisation. Diese Technologien sind am effizientesten, um die an Entsorger abzugebenden Abfälle zu minimieren und gleichzeitig hochwertige Kondensate zurückzugewinnen, die in vielen Fällen als Nebenprodukte wiederverwendet werden können, was zur Senkung der Betriebskosten von Abwasseranlagen beiträgt.

Verdampfungs- und Kristallisationstechnologien sind besonders effizient, wenn wirtschaftliche Energiequellen verfügbar sind. Zum Beispiel bei Überschussenergie wie Dampf oder Warmwasser oder bei Nutzung erneuerbarer Energiequellen.

Die Feuchtigkeit des resultierenden Abfalls kann nahezu auf Trockenheit reduziert werden, was geringere Transport- und Entsorgungs- oder Handhabungskosten zur Folge hat.

Der Einsatz von Kristallisatoren ist üblicherweise auf die Rückgewinnung wertvoller Produkte oder die maximale Konzentration gefährlicher Verunreinigungen beschränkt.

Zusammenfassung

Abwasser enthält Schadstoffe, die in der natürlichen Umwelt vorkommen oder durch menschliche Aktivitäten eingebracht werden. Diese Verunreinigungen müssen getrennt werden, um das Wasser in bestimmten Prozessen zu verwenden oder in die Umwelt zurückzuführen. Hierfür werden je nach Art der Stoffe und Verwendungszweck des behandelten Wassers unterschiedliche Behandlungstechniken eingesetzt.

Die am häufigsten verwendeten Verfahren reichen von einfachen Siebverfahren bis hin zu Systemen zur Gewinnung von ultrapurem Wasser mittels Ionenaustausch und semipermeablen Membranen.

Die getrennten Verunreinigungen liegen in Form von Feststoffen oder Schlämmen vor und erfordern in den meisten Fällen eine Konditionierung und Entwässerung vor der Abgabe an Entsorger.

Bei rückgewinnbaren Abfällen werden Vakuumverdampfung und/oder Kristallisatoren eingesetzt, um deren Volumen und Kosten zu minimieren und gleichzeitig ein hochwertiges Kondensat zurückzugewinnen.

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