Energieeffiziente Abwasseraufbereitung

Sabine Koll

„Energieeffizienz ist heute eines der wichtigsten Kriterien bei der thermischen Aufbereitung von Industriewässern. Das trifft sowohl auf neue als auch auf bestehende Anlagen zu“, stellt Herbert Praschak klar, der bei der GEA Wiegand GmbH in Ettlingen den Bereich Verdampferanlagen leitet. Zwar zählt das Verdampfen zur Aufkonzentrierung von Abwässern gemeinhin zu den energieintensiven Verfahren, doch das sei ein altes Vorurteil, so Praschak: „In den vergangenen Jahren hat sich die Technik deutlich weiterentwickelt. Der Energiebedarf von Eindampf- und Destillationsanlagen lässt sich durch geschicktes wärmetechnisches Verschalten einer Gesamtanlage heute auf ein Minimum reduzieren.“ Vier grundsätzliche Möglichkeiten zur Energieeinsparung nennt er:

Bei einem einstufigen Verdampfer muss die im Brüden enthaltene Wärmemenge etwa gleich groß der heizseitig zugeführten Wärmemenge sein. Wird die durch Primärenergie erzeugte Brüdenmenge in einer zweiten Stufe als Heizdampf genutzt, wird der Energiebedarf des Gesamtsystems um etwa die Hälfte reduziert. Dieses Prinzip lässt sich über weitere Stufen fortsetzen. Bei einer dreistufigen Anlage lassen sich beispielsweise mit 1 kg/h Frischdampf 3 kg/h Brüden erzeugen. Die klassische Mehrstufenverdampfung kommt nur noch relativ selten zum Einsatz, hat aber bei niedrigem Dampfpreis und bei Nutzung von Überschussdampf nach wie vor Bedeutung.

Der Einsatz eines thermischen Brüdenkompressors hat den energetischen Effekt einer zusätzlichen Verdampferstufe. Hier wird Brüden eines Siederaumes auf den höheren Druck eines Heizraums verdichtet. Die dem Heizraumdruck entsprechende Sattdampftemperatur ist höher, sodass der Brüden wieder zur Beheizung genutzt werden kann. Für diesen Zweck sind Dampfstrahl-Brüdenkompressoren im Einsatz, die nach dem Strahlpumpenprinzip arbeiten. Sie haben keine bewegten Teile und somit keine Verschleißteile. Dies garantiert eine höchstmögliche Betriebssicherheit.

Während ein Dampfstrahlverdichter nur einen Teil des Brüden verdichten kann, erfasst ein mechanischer Verdichter alle Brüden eines Verdampfers und verdichtet sie – meist unter Verwendung von elektrischer Antriebsenergie – auf den Druck der entsprechenden Heizdampftemperatur des Verdampfers. Eine solche Anlage benötigt im Betrieb keinen Frischdampf, sondern nur elektrische Energie für den Betrieb eines einstufigen Radialventilators, der ähnlich wie eine Wärmepumpe funktioniert. Der spezifische Energieverbrauch kann dadurch auf circa 30 % einer dampfbeheizten Anlage reduziert werden. Es werden nur geringe Mengen Dampf beim Anfahren und eventuell für einen nachgeschalteten Hochkonzentrator benötigt.

Bei der Nutzung von Abdämpfen wie zum Beispiel Trocknerabdampf steht das Heizmedium praktisch kostenlos zur Verfügung. Es können auch staub- und schmutzbeladene Abdämpfe verwendet werden, diese müssen allerdings vor der Nutzung im Verdampfer gereinigt werden. Dafür werden Filteranlagen, Zyklone oder Nasswäscher eingesetzt. „Oft entscheidet man sich bei der Schaltung, zwei dieser Verfahren zu kombinieren. In hoch entwickelten Eindampfanlagen sind sogar mehrere Verfahren verwirklicht“, sagt Praschak.

Dabei gilt stets: Neben den energetischen Voraussetzungen müssen bei der Auslegung der Eindampf- und Destillationsanlagen viele andere Anforderungen berücksichtigt werden. Dazu gehören produktspezifische Stoffwerte und auch die örtlichen Gegebenheiten. „Wir überprüfen außerdem immer die kundenseitige Energiesituation vor Auslegung der Anlagen“, erklärt Praschak.

Bei einem Kunden in den Niederlanden hat GEA Wiegand beispielsweise eine Anlage mit Trocknerbrüden beheizt und mit einem mechanischen Brüdenverdichter ausgerüstet. Bei einer Verdampfleistung von 24 t/h ließ sich der Energiebedarf um 42 600 MW reduzieren. Rechnet man diese Werte auf CO2-Äquivalente um, so bedeutet dies eine Reduktion von bis zu 11 000 t im Jahr.

Doch ganz gleich, ob der Kunde öl- und salzhaltige Abwässer aus der Fass- und Tankreinigung, toxische Abwässer aus der Produktion von Pflanzenschutzmitteln oder Abwässer aus der Ethanolproduktion aufbereiten muss: Immer geht es darum, ein optimales Ergebnis für die Wasserqualität sowie die Rückgewinnung von Wertstoffen zu erreichen. So kann das Wasser anschließend in den Kreislauf zurückgeführt werden, das Abwasservolumen wird reduziert und das gewonnene Konzentrat lässt sich anschließend wie im Fall von toxischen Abwässern verbrennen oder im günstigsten Fall wieder verwenden. Bei der Lösemittelrückgewinnung ist das Ziel der Eindampfung die flüchtige Komponente. Selbst die Aufkonzentrierung bis zum Feststoff ist bei manchen Verdampferarten möglich.

Wegen der Vielzahl unterschiedlicher Anforderungen gibt es heute viele Verdampferbauarten, Betriebsweisen und Schaltungen auf dem Markt. „Doch letztlich hat der Fallstromverdampfer in vielen Fällen andere Bauarten wie Zwangsumlauf- und Umlaufverdampfer verdrängt“, stellt Praschak fest.

GEA Wiegand baut bereits seit 1952 Fallstromverdampfer, die vor allem für die Eindampfung wärmeempfindlicher Produkte verfahrenstechnische Vorteile aufweisen und durch Mehrstufenschaltung oder Beheizung mittels thermischer oder mechanischer Brüdenverdichtung bei theoretisch beliebig kleinen Temperaturendifferenzen sehr energieeffizient sind. Darüber hinaus sind sie für Flüssigkeiten prädestiniert, die nur gering mit ungelösten Feststoffen beladen sind und nur mäßig zur Belagbildung neigen.

Zum Einsatz kommen Fallstromverdampfer beispielsweise bei der Behandlung von Abwässern aus der Produktion von Holzfaserplatten (MDF). Im Prozess dieser Faserplattenproduktion fallen große Mengen organisch belasteter Abwässer an. Je nach Verfahren sind sie stark mit Holzinhaltsstoffen wie organischen Säuren, Sachariden, Aldehyden und Terpenen verunreinigt. In einem Fallstromverdampfer wird das Abwasser konzentriert. Dabei kann ein Zwangsumlaufverdampfer nachgeschaltet werden, um eine höhere Konzentrierung zu erreichen. Da die Kondensate aus dem Verdampfer noch stark belastet sind, werden sie anschließend in einer Membranfiltrationsanlage weiter gereinigt, bevor sie entweder in Dampfumformern zu Niederdruckdampf umgewandelt oder in das Abwassersystem eingeleitet werden können. „Dies ist ein gutes Beispiel für das sinnvolle Zusammenwirken von Verdampfer- und Membrantechnologie“, so Praschak. GEA Wiegand, traditionell der Verdampfertechnologie verhaftet, bietet seit 2002 die Membranfiltration an. „Damals fiel die Entscheidung für den neuen Geschäftsbereich, weil wir erkannt haben, dass die Kombination von Membran- und Verdampfertechnik in vielen Fällen Vorteile hinsichtlich Energieverbrauch und Produktqualität bietet, wie dies bei der Abwasseraufbereitung in der MDF-Herstellung der Fall ist“, so der Experte.

Die Membranfiltration wird in der Regel ohne Zusatz von Chemikalien betrieben. Die in der wässrigen Phase befindlichen Stoffe verbleiben dabei im Permeat oder im Konzentrat. Bei der MDF-Herstellung setzt GEA Wiegand Umkehrosmose-Membrananlagen ein, um die Verdampferkondensate aufzubereiten. „Je nach Anforderung kommen unterschiedliche polymere Membranen zum Einsatz“, sagt Christian Entrup, Projektmanager bei GEA Filtration.

Die Entwicklung in der Membrantechnik geht seiner Einschätzung nach generell hin zu höherer Temperaturbeständigkeit und auch zu höherer Membranstabilität. Das heißt, dass beispielsweise Standard-Spiralwickelmembranen seit längerer Zeit auch bei Temperaturen von 70 bis 80 °C – auch im höheren Druckbereich – betrieben werden können. Früher lag die Grenze der Temperaturbeständigkeit bei ungefähr 45 °C.

Mit Umkehrosmoseanlagen lassen sich relativ einfach und günstig hohe Kondensatqualitäten erzielen. So bieten moderne Umkehrosmoseanlagen einen stabilen Salzrückhalt von bis zu 99,7 %. Speziell bei der MDF-Herstellung schwanken die anfallenden Kondensate in ihrer Zulaufmenge und Qualität. So liegen die durchschnittlichen CSB-Werte des Kondensats zwischen 3000 und 6000 mg/l. Diesen wechselnden Betriebsbedingungen passen sich die Anlagen aber automatisch an. Der CSB-Wert des gereinigten Kondensats liegt schließlich im Bereich von 200 bis 400 mg/l bei einem pH-Wert von 7. Das mittels der Umkehrosmose gewonnene Konzentrat wird anschließend mit dem Konzentrat aus der Eindampfanlage verbrannt. Um auch hier Energie einzusparen, rät GEA Wiegand in dem Fall zum Einsatz eines Rekuperators.

Betreiben lässt sich eine solche Hybridanlage mit nur einer Steuerung. Praschak: „Wir sind einer der wenigen Anbieter, die beide Technologien entwickeln. Daher sorgen wir auch für eine reibungslose Schnittstelle zwischen Membranfiltration und Eindampftechnik.“

Online-Info www.cav.de/0410475