Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Wasserreinigung: Prozesswasseraufbereitung, Grundwasserreinigung, Abwasser- und Schlammbehandlung

Die langjährige technische Expertise des Instituts bietet sowohl biologische als auch physikalisch-chemische Methoden und Lösungen zur Abwasserreinigung und Schlammaufbereitung für Industrie und Kommunen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Ausgestaltung neuer Kläranlagenkonzepte für eine »Kläranlage der Zukunft«, die nicht nur das Abwasser verordnungskonform reinigen, sondern gleichzeitig zusätzliche Wertschöpfung erwirtschaften können – über die Herstellung von zusätzlichen Energieträgern und Produkten wie Dünger bis hin zu Biostimulantien für die Landwirtschaft.

Maßgeschneiderte Membranen, Filter und Adsorbentien gehören außerdem zum Portfolio des IGB in der zukünftigen erweiterten Wasser- und Abwasserreinigung.

Fraunhofer IGB – Ihr Partner für Verfahrenslösungen rund um Prozess- und Abwasser

Herausforderungen

Steigende Kosten bei der Abwasserreinigung und -entsorgung, regionaler oder saisonaler Wassermangel, aber auch ein wachsendes Umweltbewusstsein der Unternehmen führen dazu, die oftmals in großer Menge benötigten Prozesswässer möglichst in geschlossenen Kreisläufen zu verwenden und Verunreinigungen selektiv zu entfernen bzw. darin enthaltene und werthaltige Inhaltsstoffe zurückzugewinnen.

Um Prozessabwasser aus industriellen Produktionsprozessen im Sinne der Kreislaufführung wiederzuverwenden, müssen die Störstoffe mit möglichst geringem Aufwand separiert oder entfernt werden. 

Lösungen und Leistungsangebote

Um eine Kreislaufschließung und dauerhafte Nachhaltigkeit der Prozesswasserführung zu erreichen, arbeitet das Fraunhofer IGB an Verfahrenslösungen, die Biologie und Technik verbinden.

Aktuelle Forschungen beschäftigen sich mit Adsorption, Filtration, Fällung/Flockung, Elektrodialyse, Oxidation und Desinfektion und der Umstellung auf biobasierte Rohstoffe. Biologische Verfahren, sowohl aerob als auch anaerob, werden mit langjähriger Erfahrung für unterschiedlichste Anwendungsfälle weiterentwickelt, optimiert und mit chemisch-physikalischen Verfahren kombiniert.

Die Einbindung in regionale Energie- und Stoffstromkonzepte im Sinne der Bioökonomie ermöglicht hier neue Lösungswege. Dabei bietet die schnelle Entwicklung der gesetzlichen Rahmenbedingungen und lokalen Märkte neben neuen Anforderungen auch große Chancen.

Die wissenschaftliche Beratung unserer Kunden in Bezug auf ihren Produktionsprozess und seine Wasserströme erfolgt technologie- und firmenunabhängig. Neue Konzepte und Technologien für eine nachhaltige Aufbereitung und Reinigung von Prozesswasser entwickeln und optimieren wir in direkter Zusammenarbeit mit Industriepartnern – bis zum industriellen Maßstab.

Biologische Verfahren

Festbettumlaufreaktor.
© Fraunhofer IGB
Festbettumlaufreaktor.

Biologische Prozesse nutzen die Selbstreinigungskraft der Ökosysteme, in denen sich diejenigen Organismen durchsetzen, die die vorhandenen Substrate am effektivsten abbauen können. Voraussetzung ist, dass die Substrate grundsätzlich biologisch abbaubar sind. Durch technische Prozesse wie Biomasserückhaltung wird erreicht, dass diese natürlichen Vorgänge auf sehr kleinem Raum und hochintensiv ablaufen.

Das Fraunhofer IGB arbeitet mit modernen Bioreaktoren zur Abwasserreinigung, z. B. anaeroben und aeroben Schlaufenreaktoren (Gaslift-/Airliftreaktoren), Membranbioreaktoren und Festbett-Umlaufreaktoren, bei denen das Partikelbett periodisch umgewälzt wird.  

Für die Pilotierung vor Ort stehen mobile Anlagen zur Verfügung (Sequencing Batch Reactor, SBR, und Expanded Granular Sludge Bed, EGSB). Wir beraten unsere Kunden nicht nur bei der Prozessauswahl, sondern unterstützen auch bei der Auswahl von Anlagenbauern oder Betreibermodellen, bei der Inbetriebnahme und bei zukünftigen Produktionsumstellungen.

Anaerobe Verfahren für Abwässer mit hoher organischer Belastung

Anaerobe Abwasserreinigungsverfahren eignen sich besonders für Abwässer mit einem hohen biologischen Sauerstoffbedarf (BSB5), wie sie beispielsweise in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, auf Schlachthöfen oder auch auf Flughäfen (Enteisungsmittel) vorkommen. Größere Betriebe verfügen oftmals über eine eigene biologische Kläranlage, die traditionell aerob betrieben wird. Nachteile sind der hohe Energiebedarf für die Belüftung und Durchmischung, meist auch Nährstoffmangel (N und P) und die Entstehung großer Mengen Klärschlamm, der kostenintensiv entsorgt werden muss. Eine wirtschaftliche Alternative, die wir mit verschiedenen Partnern realisiert haben, bietet der Einsatz moderner Anaerobtechnik. Hierbei wird energetisch nutzbares Biogas (Biomethan) gebildet und das Schlammaufkommen um den Faktor zehn reduziert.

Entfernung und Rückgewinnung von Metallen – Biosorption und Biofällung

Durch Biosorption können Metalle aus Prozessabwässern an mikrobielle Oberflächen gebunden werden. Bei der Biofällung werden in der wässrigen Phase gelöste Metalle (CuSO4, NiSO4, ZnSO4) durch mikrobielle Prozesse, beispielsweise mit anaeroben Mikroorganismen als Katalysatoren, gefällt und in schwer lösliche partikuläre Bestandteile überführt (CuS, NiS, ZnS). Für eine effektive Prozessführung setzen wir immobilisierte oder suspendierte Biomasse ein. Auf diese Weise können beispielsweise Schwermetalle aus Lösungen mit wenigen mg/L stark aufkonzentriert und als Feststoffe oder Biomasse mit Metallkonzentrationen im Bereich g/kg abgeschieden werden.

Adsorption

Nanopartikel mit magnetisierbarem Kern (Magnetit).
Nanopartikel mit magnetisierbarem Kern (Magnetit).

Bei gering konzentrierten Schadstoffen ist es mitunter von Vorteil, die Konzentration für eine effiziente Aufbereitung oder einen effizienten Abbau zu erhöhen. Neben der Membrantechnik bieten Adsorber die Möglichkeit, diese Stoffe sicher zu binden und bei Erreichen einer relevanten Beladung den nachfolgend beschriebenen Abbauprozessen durch Regeneration der Adsorber zuzuführen.

NANOCYTES® – Synthetische Adsorber zur Entfernung von Schadstoffen

Zur Entfernung organischer Spurenschadstoffe (Micropollutants) verfolgen wir am Fraunhofer IGB u. a. den Ansatz, diese Stoffe mithilfe selektiver nanostrukturierter polymerer Adsorberpartikel aus Wasser zu entfernen. Das polymere Adsorbermaterial kann individuell auf unterschiedliche Spurenstoffe angepasst werden. An Modelllösungen konnten wir beispielsweise die Spezifität und Effizienz der Adsorberpartikel gegenüber Bisphenol A, einem endokrin wirksamen Spurenstoff, nachweisen.

Membranfiltration und Membranadsorber

Membranadsorber REM.
© Fraunhofer IGB
REM-Aufnahme einer partikelgefüllten Polyethersulfon-Flachmembran.

In der Industrie hat sich die Membrantechnologie als Separationstechnik auch zur Aufbereitung von Rohwässern zu Prozesswässern oder für die Aufreinigung von Prozessabwässern bewährt. Sie funktionieren ohne Phasenänderung, der apparative Aufwand hält sich in Grenzen. Weitere Vorteile sind ein einfaches Upscaling (Modularität) und geringer Chemikalienverbrauch.  

Am Fraunhofer IGB werden Membranmaterialien, Membranen und Membranprozesse für die Mikrofiltration (MF, suspendierte Partikel, Bakterien), Ultrafiltration (UF, Makromoleküle, Viren und Kolloide), Nanofiltration (NF, organische Verbindungen und zweiwertige Ionen sowie Umkehrosmose (einwertige Ionen) erforscht und entwickelt.

Anreicherung und Entfernung mit Membranadsorbern

Ein neuer Schwerpunkt sind Membranadsorber, die die Vorteile von Membranen mit denen von Adsorbermaterialien kombinieren. Hierzu statten wir Membranen mit speziellen funktionellen Gruppen aus, um spezifisch Verunreinigungen wie beispielsweise Schwermetallionen (Pb, Cd, Cu) oder organische Moleküle (Penicillin G, Bisphenol A) aus Prozessabwässern mittels Adsorption zu entfernen. Membranadsorber werden auch zur Konzentrierung von Lösungen mit niedriger Schadstoffkonzentration eingesetzt, um die angereicherte Lösung anschließend energieeffizient mit AOP-Technologien zu behandeln und den Schadstoff zu zerstören.

Physikalisch-chemische Verfahren

Batch-Reaktor zur UV-C/H2O2-Behandlung von Wasser.
Batch-Reaktor zur UV-C/H₂O₂-Behandlung von Wasser.

Advanced Oxidation Processes (AOP)

Unter oxidativer Wasseraufbereitung (AOP, Advanced Oxidation Processes oder AOT, Advanced Oxidation Technologies) werden Verfahren zur chemischen Aufbereitung zusammengefasst, bei denen hochreaktive Hydroxylradikale für die Oxidation schwer abbaubarer Wasserinhaltsstoffe genutzt werden.

AOP-Verfahren werden immer dann eingesetzt, wenn ein biologischer Abbau nicht oder nicht effizient möglich ist, beispielsweise weil die Verunreinigungen persistente Substanzen beinhalten. Ferner sind AOP-Prozesse das Mittel der Wahl, wenn das Prozessabwasser toxisch auf die Mikroorganismen einer biologischen Reinigungsstufe wirkt oder äußerst diskontinuierlich anfällt.

In vielen Fällen empfiehlt sich auch eine Verfahrenskombination mit einem reduktiven Teilabbau als energiegünstigste Variante. Die Möglichkeit, verschiedenste Kombinationsbehandlungen im Labor und Technikum des IGB zu testen, ist eines unserer Alleinstellungsmerkmale.

Atmosphären-Wasserplasma im Labormaßstab.
© Fraunhofer IGB
Atmosphären-Wasserplasma im Labormaßstab.

Wasserreinigung mit Atmosphären-Plasma

Ebenfalls zu den AOP-Verfahren kann die Wasserreinigung mit Atmosphären-Plasma gezählt werden. In einem Plasma werden durch Anlegen einer Hochspannung aus der umgebenden Luft und dem Luftsauerstoff Ionen, hochreaktive Radikale und kurzwellige Strahlung gebildet, die Abwasserinhaltsstoffe abbauen können. Damit entfällt der Einsatz von zusätzlichen Chemikalien und deren Entsorgung. 

Die Plasma-Wasserreinigung kommt insbesondere für schwer abbaubare Substanzen wie Medikamentrückstände, Cyanide, Pestizide, perfluorierte Tenside und PFAS (perfluorierten Chemikalien) in Industrieabwässern oder Sickerwässern in Frage.  

Wir untersuchen den Abbau von Schadstoffen in Ihrem Prozess- oder Abwasser mit verschiedenen Plasmaprozessen im Labormaßstab, charakterisieren die Abbauprodukte und skalieren den Prozess entsprechend Ihrer Anforderungen.

Elektrokoagulation mit Opferanoden

Bei diesem am IGB etablierten Verfahren wird das zu behandelnde Wasser durch einen Reaktor geleitet, in dem Opferelektroden von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Im Zuge elektrochemischer Reaktionen lösen sich die Opferelektroden unter Freisetzung ihrer Metallionen auf und es entstehen Metall-Hydroxidflocken. Diese haben ein hohes Adsorptionsvermögen und können fein verteilte, nicht sedimentationsfähige Partikel im Größenbereich weniger Mikrometer oder kleiner an sich binden.

Bei der Hydroxidflockenbildung kommt es zudem zu Mitfällungs- und Einschlussfällungsreaktionen, bei denen auch gelöste organische und anorganische Stoffe gefällt werden. Die ausgefällten Stoffe lassen sich mechanisch durch Sedimentation oder Filtration abscheiden. Damit ersetzt die Elektrokoagulation herkömmliche chemische Flockung-Fällungstechniken mit dem Vorteil, dass die Flockungsmittel elektrolytisch aus Feststoffelektroden direkt am Ort des Bedarfs in gelöster Form bereitgestellt und bedarfsabhängig dosiert werden.  

Entsalzung

Salze können, wenn sie in ausreichend reiner Form zurückgewonnen werden, direkt als Wertstoff wiederverwendet werden. Da sich durch vermehrte Kreislaufführung die Konzentration von Salzen in Prozessabwässern erhöht, müssen sie vor einer Einleitung zunehmend entfernt werden.

Zur Abtrennung von Salzionen sind elektrochemische (Membran-)Verfahren geeignet. Bei diesen Verfahren werden nur die geladenen Teilchen aus einer wässrigen Lösung im elektrischen Feld durch die Ionenaustauschermembran transportiert. Die Trennprozesse, etwa Elektrodialyse oder kapazitive Deionisation, lassen sich wirtschaftlich zur Wertstoffgewinnung, zum Recycling von Prozesshilfssstoffen und zur Abwasserbehandlung in die Prozesskette integrieren.

Elektrodiaylse

Nährstoffrückgewinnung aus Abwässern

Abwässer enthalten neben der organischen Fracht auch größere Mengen an Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor, Magnesium oder Kalium. Sie werden mit großem Aufwand und einem teilweise enormen Energieverbrauch durch Nitrifikation, Denitrifikation und biologische Phosphorelimination aus Abwässern entfernt, damit sie nicht in die Oberflächengewässer gelangen und hier zur Eutrophierung führen. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach Nahrungsmitteln und damit der Bedarf an Nährstoffen für die Düngemittelproduktion.

Für die Rückgewinnung anorganischer Nährstoffe aus kommunalen, industriellen und landwirtschaftlichen Abwässern hat das IGB einen elektrochemischen Prozess entwickelt, mit dem Stickstoff und Phosphor mit einer Magnesium-Elektrode als Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit), einen hochwertigen Dünger, ausgefällt werden.

Membranen zur Sulfat-Abreicherung aus Oberflächengewässern

Das Fraunhofer IGB entwickelt zudem Vorwärtsosmose-Membranen, die für die Reinigung von sulfathaltigen Oberflächenwässern aus dem Braunkohletagebau eingesetzt werden können. Dabei handelt es sich um Hohlfasern auf Cellusloseacetat-Basis, die außen die Trennschicht tragen und aus einem grünen Lösemittel verarbeitet wurden.

Thermische Verfahren

Thermische Verfahren.
Thermische Verfahren.

Thermische Wasseraufbereitungsverfahren wie Erhitzen, Destillation und Rektifikation (thermische Stofftrennung) finden breiten Einsatz in Industrie und Gewerbe. Der Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Technologien oft relativ einfach und robust gestaltet sind und sich die thermische Energieversorgung meist ohne großen Aufwand durch Befeuerung, Prozessdampf oder elektrische Beheizung realisieren lässt. Auf der anderen Seite sind thermische Aufbereitungsverfahren energieintensiv, was im Zuge eines verantwortungsvollen Umgangs mit Energieressourcen und steigenden Kostendrucks neue technische Lösungen notwendig macht.

Ziel von Forschung und Entwicklung am Fraunhofer IGB ist es daher, durch die Optimierung und Kombination verschiedener Verfahren effiziente und kostengünstige thermische Aufbereitungsverfahren zu realisieren, um auch Abwärme oder solarthermisch erzeugte Wärme nutzen zu können.

Verfahren für die Konzentrierung von Industrieabwässern und die Rückgewinnung von Lösemitteln sind Beispiele für Verfahren, die im Fraunhofer IGB bearbeitet werden.

Kombination verschiedener Verfahren und Systemintegration

Aufgrund der komplexen Zusammensetzung typischer industrieller Prozesswässer ist eine effiziente Stofftrennung in einem Schritt üblicherweise nicht möglich. Durch die Kombination und Integration verschiedener Verfahren erarbeiten wir effiziente, aufeinander abgestimmte Lösungen, die in Bezug auf Selektivität und Energieeffizienz in ihrer Gesamtwirkung als Prozesskette optimiert sind.

Automatisierung und autonomer Betrieb

Wir entwickeln Prozesskonzepte nach Möglichkeit so, dass sie flexibel betrieben und beispielsweise für einen Standby-Betrieb geeignet, das heißt jederzeit zu- und abschaltbar sind. Die Integration in bestehende Anlagen und die Automatisierung bis hin zum autonomen Betrieb oder zur Fernsteuerung sind möglich. Wo erforderlich, integrieren wir eine Online-Analytik, beispielsweise zur kontinuierlichen Erfassung des organischen Kohlenstoffs (TOC, Total Organic Carbon), um eine bedarfsabhängige und folglich energieoptimierte Aufbereitung zu gewährleisten.

Die Kläranlage als Bioraffinerie

Hochlastfaulung auf der Kläranlage Erbach.
© Fraunhofer IGB
Hochlastfaulung auf der Kläranlage Erbach.

Die Kreislaufwirtschaft gilt als Schlüsselstrategie, um Ressourcen zu erhalten und die Klimaziele zu erreichen. Auch die Inhaltsstoffe im Abwasser lassen sich nutzen – wenn man es entsprechend aufbereitet.  

Hochlastfaulung ermöglicht Nutzung der Abwasserinhaltsstoffe

Die Voraussetzung für die Nutzung der verschiedenen Stoffe liegt in ihrer Verfügbarmachung: durch Konzentrierung, Trennung und Aufarbeitung.

Die technische Basis dafür ist die am IGB entwickelte und vielfach auf Kläranlagen implementierte Hochlastfaulung. Diese setzt den auf einer Kläranlage anfallenden Schlamm nicht nur zu Biogas als regenerativer Kohlenstoff- und Energiequelle um, sondern liefert zudem Schlammwasser und Gärreste als weitere nutzbare Stoffströme.