Abschnitte

ANWENDUNGSBEREICH

Der Lebensmittel- und Getränkesektor macht 22 % des jährlichen Gesamtwasserverbrauchs der spanischen Industrie aus, wozu auch das Segment der Erfrischungsgetränke gehört. Im Jahr 2018 wurden 4.400 Millionen Liter Getränke produziert. Die Erfrischungsgetränkeindustrie trägt etwa 3.800 Millionen Euro zum Bruttowertschöpfung (GVA) der spanischen Wirtschaft bei und 1.415 Millionen Euro an Steuern. Die Branche schafft mehr als 71.000 direkte und indirekte Arbeitsplätze. Diese Art von Industrie bereitet im Wesentlichen Getränke zu und füllt sie ab, wobei sehr anspruchsvolle Qualitätsprotokolle eingehalten werden, die einen hohen Verbrauch an Waschwasser und Dienstleistungen sowie Wasser als Hauptbestandteil der Produkte selbst mit sich bringen.

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WIEDERVERWENDUNG VON ABWÄSSERN IN EINER ERFRISCHUNGSGETRÄNKEABFÜLLANLAGE

Obwohl jede Erfrischungsgetränkefabrik unterschiedliche Produkte abfüllen kann und das benötigte Wasser unterschiedliche Ursprünge haben kann (z. B. Oberflächenwasser, Brunnenwasser oder Leitungswasser), gibt es eine Reihe gemeinsamer Prozesse in den Fertigungslinien, um ein grundlegendes Schema in Bezug auf den Verbrauch von Wasser unterschiedlicher Qualität je nach Anwendung (z. B. Waschen, Dienstleistungen oder Verarbeitung) zu verallgemeinern. Im Anhang ist Schema 1 beigefügt, das die drei üblichen Wasserquellen und die Behandlung darstellt, denen das Wasser unterzogen wird, um die von den Herstellern geforderten Parameter für die Verwendung in ihren Produktionsprozessen zu erreichen.

Die verschiedenen Abfüllunternehmen haben ihre eigenen Protokolle und legen sogar die Wasseraufbereitungsanlagen fest, die zu befolgen sind, um die Qualität ihrer Produkte zu homogenisieren und die von der Trinkwasserverordnung geforderten Parameter einzuhalten. Üblicherweise wird eine sogenannte Multi-Barriere-Behandlung angewandt, die darin besteht, die Reinigung in Stufen durchzuführen.

3.1 Vorbehandlung

Wenn Schema 1 befolgt wird, ist zu erkennen, dass das Wasser je nach Versorgungsquelle unterschiedliche komplexe Vorbehandlungen durchläuft. Wird beispielsweise Oberflächenwasser (z. B. aus einem Fluss, Sumpf oder See) verwendet, beginnt der Prozess mit der Entfernung der darin üblicherweise enthaltenen Schwebstoffe und kolloidalen Materialien.

Der erste Schritt ist die Vorbehandlung, die darin besteht, grobe Feststoffe und Verunreinigungen zu trennen. Üblicherweise beginnt man mit einem Abschäumer-System (mit unterschiedlich langen Stäben), der Sandentfernung und der Entfernung von Schwimmstoffen, falls zutreffend. Anschließend erfolgt die erste Zugabe eines oxidierenden Mittels vom Typ NaOCl, gefolgt von der physikalisch-chemischen Behandlung, die aus Koagulation, Flockung und Absetzen der schwebenden Verunreinigungen besteht.

Der Koagulationsprozess erfolgt durch Neutralisierung der kolloidalen Mizellen, die im Wasser verteilt sind, durch Zugabe von Substanzen mit entgegengesetzter Ladung, die an sie haften. Aluminiumsalze wie Al2(SO4)3, Aluminium-Polychlorid (PAC) oder Eisensalze wie Fe3Cl oder FeSO4 werden aufgrund ihrer angemessenen Kosten und geringeren Toxizität verwendet. Manchmal muss der pH-Wert angepasst werden, damit die Koagulation optimal verläuft. Das Ergebnis ist das Auftreten kleiner fester Klumpen in Suspension, die durch die Agglomeration der Kolloide entstehen.

Der Flockungsprozess findet üblicherweise in einer separaten Kammer nach der Koagulationskammer statt. Flockungsmittel sind langkettige Polymere, die sich an kleine Partikel binden und schwammige Klumpen (Flocken) unterschiedlicher Konsistenz und Größe bilden, abhängig von der Herkunft der Kolloide und der Art der verwendeten Reagenzien.

Da wahrscheinlich organische Substanzen vorhanden sind, wird ein sterilisierendes Reagenz hinzugefügt. Üblicherweise ist dies NaOCl, aufgrund seiner niedrigen Kosten und hohen Effizienz; jedoch werden zunehmend andere Oxidationsmittel wie Ozon O3 verwendet, um die Bildung von Chlorverbindungen wie Trihalomethanen zu reduzieren, deren Grenzwert im Trinkwasser sehr niedrig ist (<50 ppb).

Die Flocken werden entsprechend ihrer Dichte durch Absetzen oder Flotation getrennt.

Die Klär- oder Absetzeinrichtungen können je nach verfügbarem Platz und Dichte der zu trennenden Flocken konventioneller oder lamellarer Bauart sein. Diese Techniken werden üblicherweise für diese Art von Versorgungswasser verwendet, aber es gibt Fälle, in denen Flocken mit geringer Dichte entstehen und ein Flotationssystem erforderlich ist, z. B. wird die gelöste Luftflotation (DAF) oder Kavitation-Luftflotation (CAF) eingesetzt.

Die Masse der getrennten Feststoffe wird als Schlamm bezeichnet und hat eine Konzentration von etwa 1 % beim Absetzen und über 3 % bei der Flotation; daher besteht die Notwendigkeit, das Volumen dieses Schlamms zu reduzieren, um ihn auf Deponien entsorgen zu können. Dieser Schlamm wird üblicherweise zuvor in einem Schlammeindicker eingedickt; jedoch ist es schwierig, in diesem Gerät Schlammkonzentrationen von mehr als 5-8 % zu erreichen. Die Entwässerung erfolgt durch Zentrifugation (Zentrifugale Dekanter) oder durch mechanische Kompressionstechnologien mit Bandsieben oder Pressfiltern. Zur Optimierung des Trocknungsprozesses werden üblicherweise spezielle Flockungsmittel oder Kalk zugesetzt. Das Wasser, das beim Eindicken des Schlamms abfließt, enthält viele Verunreinigungen und ist schwer nutzbar; daher wird es der allgemeinen Abwasserbehandlung der Anlage zugeführt. Der resultierende Schlamm hat eine Trockenmasse von etwa 30 % und wird auf Deponien entsorgt.

Das geklärte Wasser enthält normalerweise noch einige Schwebstoffe, die eine Trübung von mehr als 10 NTU (Nephelometric Turbidity Units) verursachen, und erfordert einen zusätzlichen Prozess in der nächsten Phase der Multi-Barriere-Behandlung: Filtration.

Leitungswasser hat üblicherweise Trübungswerte von etwa 10 NTU, was ungefähr einem Silt Density Index (SDI) von 5 entspricht, der in vielen Fällen die für die folgenden Behandlungsbarrieren erforderlichen Werte überschreitet. Brunnenwasser hat üblicherweise niedrigere Trübungswerte (<5 NTU); dennoch ist es üblich, in beiden Fällen eine Filtrationsstufe als Vorsichtsmaßnahme einzusetzen.

Gelegentlich muss dem Wasser aus dem Leitungsnetz Koagulationsmittel zugesetzt werden, um die Filtration zu verbessern.

Es gibt verschiedene Filtersysteme, die angewandt werden, wie Sandfilter, Doppel- und Mehrschichtfilter. Jedes hat seine Besonderheiten, aber gemeinsam ist ihnen, dass sie durch Perkolation arbeiten, indem das Rohwasser durch ein Bett aus einem oder mehreren Filtermaterialien zirkuliert. Diese Filter verbrauchen ein erhebliches Volumen an Waschwasser, wobei ein Teil davon wiederverwendet werden kann.

Beim Rückspülen dieser Filter wird neben gefiltertem Wasser üblicherweise Luft aus einem Gebläse verwendet; dadurch wird die Menge des Waschwassers erheblich reduziert und die Effizienz verbessert.

Dies ist ein möglicher Punkt für Kontaminationen, daher wird mit stark chloriertem Wasser gespült.

3.2 Wasseraufbereitung für Dienstleistungen und Prozess

Das vorbehandelte Wasser hat in der Erfrischungsgetränkeindustrie zwei grundlegende Verwendungszwecke: Dienstleistungswasser und Prozesswasser. Dienstleistungswasser wird zur Versorgung von Kesseln, Etikettiermaschinen, Waschmaschinen, CIP, industrieller Kälte, Kühlkreisläufen und weiteren Anwendungen verwendet. Das Wasser muss enthärtet werden, um Ablagerungsprobleme zu vermeiden, was durch Kationenaustauscher geschieht, die mit NaCl regeneriert werden. Die dabei entstehenden Abfälle sind umfangreich und haben eine hohe Salzkonzentration.

Die anderen Hauptabwässer sind: Kesselspülungen, Pasteurisator-Spülungen und -Reinigungen, CIP und Spülungen von Kreisläufen und Maschinen zur Herstellung und Abfüllung von Produkten sowie Flaschenwaschungen, die nicht in den Waschmaschinen selbst recycelt werden.

Prozesswasser wird einer gründlichen Behandlung unterzogen, um es für die Herstellung der Fabrikprodukte vorzubereiten. In diesem Bereich wird häufig die Ionenaustausch-Behandlung eingesetzt, um die temporäre Härte und Alkalinität (HCO3) des Eingangs- wassers (Entkarbonisierung) mit Carbonsäure-Typ-Harzen zu reduzieren. In vielen Fällen, wenn die Gesamtmenge gelöster Feststoffe (TDS) höher ist als von den Herstellern gefordert, werden halbdurchlässige Membranverfahren wie Umkehrosmose oder Nanofiltration eingesetzt. Diese Verfahren haben sich als sehr effektiv erwiesen, da sie neben der Entfernung der meisten Salze auch andere Verunreinigungen und biologische Kontaminationen reduzieren. Allerdings muss trotz der Weiterentwicklung dieser Technologien, z. B. durch erzwungene Osmose, ein Teil des Wassers mit Verunreinigungen und Konzentraten (Ableitung) entsorgt werden; und bei Verwendung von Ionenaustauscherharzen wird eine relativ große Menge Wasser zum Spülen und Verdünnen des Regeneriermittels benötigt.

Es ist von Interesse, eine große Menge behandeltes Wasser zu speichern, sodass Wartung, Regeneration und Reinigung der Wasseraufbereitungsanlage durchgeführt werden können, ohne die Produktion in der Fabrik zu beeinträchtigen. Es muss auch sichergestellt sein, dass genügend Wasser für Spitzenbedarfe vorhanden ist, was jedoch auch das Risiko einer, insbesondere biologischen, Kontamination erhöht. Daher ist eine Sterilisation erforderlich, die üblicherweise hohe Mengen an Oxidationsmitteln und ein effizientes internes Homogenisierungssystem benötigt.

3.3 Nachbehandlung

Das behandelte Wasser enthält einen Überschuss an Oxidationsmittel (üblicherweise Cl2), der vor der Produktion entfernt werden muss. Es können jedoch auch Rückstände wie Polymerreste, Ionenaustauscherharzmonomere oder andere Mikroverunreinigungen vorhanden sein, die durch die Behandlung mit halbdurchlässigen Membranen nicht entfernt wurden.

Aktivkohle spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle, da sie Cl2 katalysieren und die Mikropartikel durch Adsorption zurückhalten kann. Es ist jedoch auch zu beachten, dass in den unteren Bereichen der Säulen, die die Aktivkohle enthalten, ideale Stellen für biologische Kontaminationen vorhanden sind: z. B. solche mit großer Oberfläche, Abwesenheit von Oxidationsmitteln und möglicher Nährstofffülle durch die adsorbierende Wirkung der Aktivkohle auf organische Substanzen. Daher muss das Aktivkohlebett periodisch mit Dampf sterilisiert oder mit NaOH-Lösung behandelt werden. Diese Regenerationsprozesse verbrauchen erhebliche Mengen an Spülwasser.

Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme wird das durch Kohlefilter behandelte Wasser üblicherweise durch UV-Strahlungsgeräte (UVA) geleitet, um die Abwesenheit biologischer Kontaminationen zu gewährleisten. Darauf folgen üblicherweise Patronenfilter mit Filterfeinheiten im Bereich von 1-20 Mikrometern, um das Fehlen von Mikroorganismen, Pyrogenen und anderen Verunreinigungen sicherzustellen, die in das Getränk gelangen könnten.

Im Produktionsprozess werden verschiedene Behälterarten für den Verkauf von Erfrischungsgetränken verwendet, wie Flaschen, PET und Dosen. Es ist üblich, dieselbe Abfülllinie für verschiedene Produkte zu verwenden, sodass Rückstände des vorherigen Herstellungsprozesses durch Spülen mit der entsprechenden Menge behandeltem Wasser entfernt werden müssen, was zur Produktion von kontaminiertem Abwasser führt.

Trinkwasser für den internen Verbrauch in der Fabrik wird üblicherweise aus behandeltem Wasser oder Leitungswasser entnommen. Das produzierte Abwasser wird als häusliches Abwasser betrachtet und muss über ein eigenes separates Netz abgeführt werden.

ABWASSERBEHANDLUNGSANLAGEN

Nicht wiederverwendete Einleitungen werden einer Abwasserbehandlungsanlage zugeführt, um sie gemäß den im Wasserrecht geforderten Grenzwerten am Einleitungsort zu reinigen, abhängig davon, ob es sich um ein öffentliches Gewässer (z. B. Fluss oder Stausee) oder einen privaten Abwasserentsorger handelt, der das Wasser zu einer allgemeinen Kläranlage in einem Industriegebiet oder einer Gemeinde leitet.

Die Reduzierung der Einleitungsvolumina durch Teilnutzung führt zu einer Erhöhung der Salzkonzentration und der chemischen Sauerstoffbedarf (CSB). So lag der vor einigen Jahren üblicherweise akzeptierte CSB-Wert bei etwa 1500-3000 mg/L O2, der manchmal auf Werte über 4000 mg/L O2 anstieg.

Die Größe von Abwasserbehandlungsanlagen (WWTP) hängt direkt vom Durchfluss ab; jedoch hängen sowohl der Energieverbrauch als auch das Volumen der biologischen Oxidationsbecken und die Schlammproduktion im Wesentlichen von der organischen Belastung (CSB) ab. Um diese Abwässer nach der Behandlung zu minimieren, können sie gemäß der aktuellen Gesetzgebung (RD 1620/2007, 7. Dezember) zum Regime der Wiederverwendung von behandeltem Wasser wiederverwendet werden.

WIEDERVERWENDUNG VON ABWÄSSERN

In Schaubild 2 sind die üblicherweise zurückgewonnenen Abwässer angegeben, um den Wasserverbrauch und das Einleitungsvolumen zu reduzieren.

Für Prozesswasser hat die letzte Spülung des Wasserfilters üblicherweise eine geringere Trübung als das Eingangs- wasser, was bedeutet, dass sie im Rohwassertank der Fabrik gemischt werden können. Gleiches gilt für die letzten Spülungen der Aktivkohlefilter, die letzten Behälterspülungen (von Dosen, PET und Flaschen) und die der Etikettiermaschinen. Diese Abwässer können dem Wasserversorgungsbecken der Fabrik zugeführt und in den Wasseraufbereitungsanlagen erneut verarbeitet werden.

Ein Teil der zurückgewonnenen Abwässer und andere, wie das Ableitungswasser der RO/NF-Membranbehandlung, das eine hohe Salzkonzentration, aber geringe organische und Schwebstoffkonzentration aufweist, kann als Hilfsdienstwasser wiederverwendet werden, ebenso wie das Abwasser aus der Endspülung von Entkalkern und Entkarbonisierern. Das aus der Mischung resultierende Wasser kann eine Qualität aufweisen, die für die ersten Filterspülungen oder die Spülungen der Mehrwegflaschen sowie für weniger anspruchsvolle Verwendungen in der Fabrik geeignet ist, wie Reinigung, Waschen, Gartenpflege, Löschwassernetz oder Kühl- und Kaltwasserkreisläufe.

Nicht nutzbare oder überschüssige Einleitungen würden zusammen mit Drainagewasser, Konzentraten und Prozessabwässern, die üblicherweise eine hohe Schadstoffbelastung, hauptsächlich aufgrund des hohen CSB, aufweisen, zur Abwasserbehandlungsanlage (WWTP) geleitet. Um die CSB-Belastung der Einleitung nicht weiter zu erhöhen, schicken Fabriken üblicherweise ihre abgelaufenen oder fehlerhaften Produkte zur externen Wasserbehandlung.

Das aus der Kläranlage eingeleitete Abwasser muss wie in den vorherigen Punkten angegeben vorbereitet werden und kann in vielen Fällen als Bewässerungswasser verwendet oder in Grundwasserleiter und Feuchtgebiete zurückgeführt werden.

Der bei der biologischen Behandlung anfallende Schlamm wird in einem Eindicker behandelt, von dort zur mechanischen Trocknung und nach der Trocknung zur zugelassenen Deponie gebracht.

Kesselspülungen können zur Erzeugung von Niederdampfdruckdampf in sogenannten Expansionsbehältern verwendet werden.

AKTUELLE TRENDS ZUR MINIMIERUNG VON EINLEITUNGEN

Mit den angegebenen Maßnahmen wurde seit 2010 eine hohe Rückgewinnungsrate von Abwässern (ca. 15 %) erreicht. In vielen Fällen sind die Anlagen jedoch komplex geworden und es wurden erhebliche Investitionen in Becken, Pumpen und Kreisläufe mit entsprechenden Steuerungen für Durchfluss, Pegel, Trübung, Leitfähigkeit, organische Substanz und pH-Wert getätigt. Derzeit haben die meisten Fabriken der Branche Ziele eines minimalen Umwelteinflusses für ihr Geschäft übernommen und engagieren sich für Verbesserungen der verfügbaren Technologien. Obwohl die Implementierung relativ hohe Kosten verursacht, bieten diese Sicherheit und Einfachheit der Prozesse und bringen kurzfristig und mittelfristig eine finanzielle Rendite.

Schaubild 3 zeigt die Trends, die bei der Rückgewinnung von Einleitungen mit neuen Technologien verfolgt werden.

Einige Beispiele sind:

Anstelle von Sand- oder Mehrschichtfiltern sollten Anlagen Ultrafiltrationsmembranen installieren, die wesentlich bessere Filtrationsgrenzen (ca. 0,02 Mikrometer) und eine erhebliche Reduzierung von organischer Substanz und Schwebstoffen gewährleisten. Die Betriebseffizienz dieser Anlagen ist hoch (ca. 95 %), der Platzbedarf ist wesentlich geringer als bei Filtern, und der Verbrauch an Reagenzien wird ebenfalls deutlich reduziert.

Oft kann die vorherige Absetzung bei Oberflächenwasser eingespart werden, da es Membranen gibt, die gut mit hohen Schwebstoffbelastungen arbeiten und somit auch die Schlammproduktion reduziert wird.

Die Behandlung zur Gewinnung von Prozess- oder Dienstleistungswasser hängt von dessen Salzgehalt ab. Für Prozesswasser kann daher RO/NF bevorzugt gegenüber Ionenaustausch eingesetzt werden, da der Reagenzienverbrauch minimiert wird, da keine Harzregeneration erforderlich ist, während die Entfernung von organischer Substanz und anderen Mikroverunreinigungen sichergestellt ist.

Als Sterilisationsmittel sollten O3 oder UV-Strahlungssysteme anstelle von NaOCl verwendet werden; und falls letzteres verwendet wird, sollte die Anwesenheit von Bromaten im industriellen Reagenz vermieden werden, aufgrund ihrer niedrigen Grenzwerte in der Trinkwasserverordnung. Kürzlich wurden „in situ“ NaOCl-Generierungsanlagen aus NaCl installiert, um dieses Problem zu lösen.

Kohlenstofffilter werden weiterhin als Sicherheitsbarriere verwendet, aber es gibt eine Tendenz, sie nicht zu verwenden, da sie eine Quelle von Kontaminationsproblemen in den unteren Filterbettschichten darstellen, wie oben erläutert. Die Alternative ist die Verwendung von O3 und den angebotenen UVA-Mitteldrucksystemen.

Angesichts des hohen CSB der Abwässer und ihrer Beschaffenheit ist der neueste Trend die Verwendung anaerober Abwasserbehandlungsanlagen vom Typ UASB oder EGSB, die einen niedrigen Energieverbrauch und eine hohe Reinigungsleistung (85-90 % Reduktion des CSB) aufweisen. Dies ermöglicht es, die üblicherweise von Industrie- und kommunalen Kläranlagen geforderten Grenzwerte (ca. 1.000 ppm O2 CSB) zu erreichen. Zudem stellt der produzierte Schlamm heute keinen Kostenfaktor mehr dar, da er behandelt, getrocknet und auf Deponien verwaltet wird und es einen Markt gibt, der ihn wertschätzt. Ein weniger positiver Aspekt des anaeroben Prozesses ist, dass er mindestens 25ºC benötigt, um zu funktionieren und gute Leistungen zu erbringen, aber die heißen Fabrikabwässer (z. B. Flaschenwaschungen, Kesselspülungen, Etikettiererabwässer) können dies weitgehend ausgleichen, während die Kessel zur Erwärmung des Abwassers üblicherweise mit Biogas/Kraftstoff betrieben werden, was geringe Energiekosten verursacht.

Wenn das Abwasser in ein öffentliches Gewässer eingeleitet werden muss, ist eine aerobe biologische Kläranlage erforderlich, da die Grenzwerte hier deutlich strenger sind.

In aeroben biologischen Kläranlagen wird die Absetzung oder Flotation des Schlamms zunehmend durch das MBR-Membransystem ersetzt, das sehr schadstoffarme Abwässer sowohl biologisch als auch hinsichtlich der Schwebstoffe ermöglicht.

Diese behandelten Abwässer werden in vielen Fällen durch die Einspeisung in Grundwasserleiter oder Bewässerungswasser gemäß RD 1620/2007, 7. Dezember, zum Regime der Wiederverwendung von behandeltem Wasser, recycelt.

Engagement für die Zukunft

Es gibt verschiedene Einrichtungen und Organisationen, die daran arbeiten, zumindest einen Teil der behandelten Abwässer als regeneriertes Wasser gemäß der aktuellen europäischen Gesetzgebung zu recyceln.

ASERSA (die spanische Vereinigung für Regeneration und nachhaltige Wasserwiederverwendung) ist vielleicht die repräsentativste Organisation in Spanien. Ihr Präsident, Rafael Mujeriego, gilt aufgrund seiner umfangreichen Erfahrung als wichtige Referenz in diesem Sektor. Wir sprachen darüber, warum das Beispiel der Verwendung von aufbereitetem Wasser als Trinkwasser in Los Angeles oder Kalifornien nicht übernommen wird, und er sagte, dass wir in unserem Land von „den Gefahren“ und „den Risiken“ gelähmt sind, ohne die administrative Kapazität, diese zu quantifizieren und wie andere Länder voranzukommen. Als Beispiel nannte er die Flaschenwasser-Kampagne des Orange County Water District; hierzulande wäre sie verboten, während es in einigen Teilen der USA erlaubt ist, Craft-Bier mit aufbereitetem Wasser herzustellen.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Es ist offensichtlich, dass mit den verfügbaren Technologien erhebliche Fortschritte bei der Reduzierung der Einleitungen und Abfälle von Erfrischungsgetränkeherstellern erzielt wurden, aber weitere Fortschritte werden zunehmend schwieriger. Die Tatsache, dass Länder wie die Vereinigten Staaten ordnungsgemäß behandelte Abwässer aus Fabriken als aufbereitetes Wasser für den menschlichen Verbrauch wiederverwenden, verleiht den Wasserkreisläufen und der Reduzierung von Schadstoffen eine neue Dimension, die sich positiv auf die klimatischen Bedingungen und somit auf die Zukunft unseres Planeten auswirken wird.

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