Pictures of the Future Frühjahr 2005
Elemente des Lebens – Abwasserreinigung
Von Kannibalen und porösen Fasern
Immer komplexere Schadstoffe verunreinigen das Abwasser. Zugleich soll aber die Qualität des gereinigten Wassers zunehmen. Experten von Siemens Water Technologies sowie von Corporate Technology haben trickreiche Verfahren auf Lager, die Abwasser effektiver säubern und zudem Kosten sparen.
Wasser für Boston: Die Aufbereitungsanlage auf Deer Island vor der US-Großstadt arbeitet mit mehreren Verfahren von Siemens Water Technologies
Die Brühe ist unappetitlich: Jeder Haushalt entleert Fäkalien und weitere organische Stoffe in die Kanalisation. Aus der Nahrungsindustrie kommen Fett, Mehl, Molke und Reinigungsmittel dazu, Industrieabwässer enthalten oft Chemikalien, Regenwasser spült Dreck in die Gullys – eine enorme Herausforderung für Kläranlagen. Die Ansprüche wachsen auch durch schärfere Umweltstandards und das gestiegene Gesundheitsbewusstsein.
Kläranlagen sollen komplexe Schadstoffe entfernen, kostengünstig arbeiten, wenig Platz verbrauchen und wenig Sondermüll erzeugen. Die fortschrittlichsten unter ihnen sind hoch innovative Wasser-Waschmaschinen. Siemens Water Technologies hat dazu einiges beigetragen: Etwa MemJet, einen neuartigen Membran-Bioreaktor, oder den Cannibal-Prozess – ein rein biologisches Verfahren, das Klärschlamm stark reduziert.
Klärschlamm besteht vor allem aus Überresten von Bakterien aus dem Klärprozess. Je nach Schadstoff- und Keimgehalt kann der eingedickte und getrocknete Schlamm entweder als Dünger verwendet werden, oder er muss auf die Deponie. "Die Kosten, Klärschlamm zu behandeln, zu transportieren und zu deponieren, sind in den letzten Jahren extrem gestiegen", berichtet Betty-Ann Curtis, Direktorin für Biologische Prozesse bei Siemens Envirex Products in Waukesha, Wisconsin (USA).
Gefräßige Bakterien. Mit dem Cannibal-Prozess lässt sich die Menge des Klärschlamms im Vergleich zu konventionellen Methoden um 90 bis 95 % reduzieren. Das Verfahren nutzt die Gefräßigkeit verschiedener Bakterien, um die organischen Abwasser-Bestandteile buchstäblich aufzulösen: Neben Wasser entsteht nur das Gas Kohlendioxid (siehe Grafik). Der Schlamm aus dem Nachklärbecken wird zunächst in eine spezielle Anlage gepumpt, in der alle biologisch nur schwer oder gar nicht abbaubaren Bestandteile – etwa Sand, Haare, Zellstoff oder Plastik – durch feine Siebe und einen so genannten Hydrozyklon separiert werden. Dieser für die Kläranlage unverdauliche Anteil kann problemlos auf Mülldeponien gelagert werden.
Water Technologies
Mit USFilter, dem führenden Hersteller von Wasseraufbereitungs- und Kläranlagen in Nordamerika, hat Siemens im August 2004 seine Aktivitäten im Zukunftsmarkt der "Water Technologies" erweitert. Dazu gehören vor allem innovative Verfahren wie Membran-, UV- und Ozontechnologien sowie über 1 500 Patente, mit denen Siemens das weltweite Produkt- und Serviceangebot in der Wasseraufbereitung für Industrie und Kommunen ergänzt. Die Federführung für das Geschäftsgebiet "Water Technologies" liegt beim Bereich Industrial Solutions and Services (I&S)
Der größte Teil des verbliebenen Schlamms kommt zurück ins Belebungsbecken, der Rest wird in einen Bioreaktor mit wenig Sauerstoff gepumpt. Dort sterben alle aeroben Bakterien ab. Stattdessen vermehren sich die fakultativ anaeroben Bakterien. "Das sind Mikroben, die Sauerstoff nutzen, wenn er vorhanden ist, ihn aber nicht unbedingt benötigen", erklärt Betty-Ann Curtis. In "Kannibalen-Tanks" fressen die fakultativen Bakterien die Überreste der aeroben Stämme – daher der Name des Cannibal-Prozesses. Danach wird der Inhalt der Tanks portionsweise in die Belebungsbecken gepumpt. Hier gedeihen nun wieder die aeroben Stämme, während die Konkurrenz langsam abstirbt. "Es entsteht ein stationäres Gleichgewicht zwischen Wachstum und Zerstörung", sagt Curtis. Weil die Menge der Bakterien konstant bleibt, sammelt sich kein Klärschlamm an. Nur gelegentlich muss die Anlage gereinigt werden, weil einige extrem feine Teilchen vom Feststoff-Trennmodul nicht beseitigt wurden. Mit einer typischen Anlage, die 5,6 Mio. l am Tag verarbeitet – das entspricht der Abwassermenge von 15 000 US-Bürgern – lassen sich bis zu 300 000 US-$ pro Jahr sparen. Bestehende Anlagen können ohne weiteres mit dem Cannibal-Zubehör nachgerüstet werden; ihre Kapazität steigt dann sogar noch. Etwa 25 Anlagen in den USA nutzen bereits das Cannibal-Verfahren.
Eine weitere Neuerung setzt sich seit einigen Jahren durch: Wasser und Feststoffe werden nicht mehr im Nachklärbecken mit Hilfe der Schwerkraft getrennt, sondern über Membranen. Diese befinden sich in der Regel direkt im Belebungsbecken, das Nachklärbecken wird überflüssig. Während sich bei einer konventionellen Anlage möglichst nur solche Bakterien im Belebungsbecken vermehren dürfen, die sich im Nachklärbecken schnell am Boden absetzen, können in Membran-Bioreaktoren jene Bakterien eingesetzt werden, die das Abwasser am effektivsten säubern.
"Der biologische Klärprozess lässt sich so unabhängig vom Problem des Absetzens optimieren", sagt Edward Jordan, Vizepräsident von Siemens Memcor Products. Membran-Bioreaktoren produzieren wesentlich weniger Klärschlamm als konventionelle Anlagen. Sie haben außerdem eine kompakte Bauweise, können bei hohen Feststofffrachten arbeiten und liefern qualitativ hochwertiges Wasser. "Ein Problem ist allerdings das so genannte Fouling", sagt Jordan. Die festen Abwasserbestandteile können sich auf der Membranoberfläche festsetzen und eine undurchdringliche Schicht bilden. Dann muss mehr Energie aufgewendet werden, um das Wasser durch noch nicht befallene Stellen hindurchzubekommen; schließlich muss die Membran mit Chlor oder Dampfstrahlern gereinigt werden.
Kannibalen reinigen das Abwasser
Der Säuberungsprozess in einer Kläranlage läuft in mehreren Schritten ab. Der wichtigste Teil der Anlage ist das Belebungsbecken (1). Hier wimmelt es von Bakterien, die die biologisch abbaubaren Abwasserbestandteile unter Zufuhr von Sauerstoff zersetzen. Im anschließenden Nachklärbecken (2) setzen sich feste Partikel als Schlamm am Boden ab – das geklärte Wasser kann an die Umwelt abgegeben werden. Bisher musste ein großer Teil des Klärschlamms teuer auf Deponien entsorgt werden, doch nicht im Cannibal-Verfahren von Siemens Water Technologies: Hier wird er nach der Entfernung nicht abbaubarer Bestandteile (3) teils ins Belebungsbecken zurückgeführt, teils in einen Bioreaktor (4) mit wenig Sauerstoff gepumpt. Dort fressen Bakterien, die auch ohne Sauerstoff auskommen, die Überreste ihrer aeroben Verwandten. Anschließend werden sie wieder ins Belebungsbecken gepumpt, wo sie absterben, weil hier die aeroben Stämme gedeihen. Im Endeffekt wird dadurch der Klärschlamm um 90 bis 95 % reduziert – die organischen Bestandteile haben sich dank der unterschiedlichen Bakterienarten buchstäblich in Wasser und Kohlendioxid verwandelt
Der von Water Technologies entwickelte MemJet-Prozess löst das Fouling-Problem durch einen eleganten Trick. Die Membranen bestehen hier aus Hohlfaser-Bündeln. Das Abwasser wird mit einem Strom von Luftblasen an den Fasern entlanggeführt. Wie bei anderen Membranprozessen herrscht im Innern der Fasern ein Unterdruck, der die Wassermoleküle durch winzige Poren ins Innere saugt. Dreckteilchen, Viren und Bakterien bleiben draußen. Die Luftblasen reißen die Feststoffe mit und verhindern so, dass sie sich auf der Membran festsetzen. Außerdem erzeugen die Blasen eine gleichmäßige Strömung ohne tote Winkel, die besonders anfällig für Fouling sind. Der MemJet-Tank muss nur ein- bis zweimal im Jahr chemisch gereinigt werden. Zehn MemJet-Anlagen sind in den USA bereits in Betrieb, weitere entstehen gerade.
Mini-Kläranlage vor Ort. Da die Membrantechnik jüngst deutlich erschwinglicher geworden ist und in den USA immer mehr geklärtes Wasser direkt wieder benutzt wird, geht der Trend zu kleinen, dezentralisierten Anlagen. "Sie werden aufgestellt, wo das Wasser gebraucht wird, etwa in der Landwirtschaft oder bei Golfplätzen", sagt Jordan. Die Anlagen sind an einen Abwasserkanal angeschlossen und bestehen nur aus Belebungsbecken, Membran-Tank und einer Desinfektionsvorrichtung. Die abgeschiedenen Feststoffe kommen in den Kanal und werden zur zentralen Kläranlage gespült. Die Anlagen laufen weitgehend automatisch, sie müssen nur ein- bis zweimal pro Woche überprüft werden. Da sie keine unangenehmen Gerüche absondern, kann man sie sogar in dicht besiedelten Gebieten aufstellen, wie Jordan berichtet. Auch ästhetisch stören die kleinen Tanks kaum: Meist sind sie gar nicht als Kläranlage zu erkennen.
Membranen eignen sich auch zur Reinigung von Industrieabwässern, die häufig Stoffe enthalten, mit denen eine gewöhnliche Kläranlage nicht fertig wird, etwa Mineralöle, Salze oder Schwermetalle. Solche Abwässer werden daher oft in einer betriebseigenen Anlage vorgeklärt. Speziell für Galvanikbetriebe hat ein Team um Frank Walachowicz von Siemens Corporate Technology (CT) in Berlin im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojekts Mewaprev (Metal Waste Prevention) eine Lösung entwickelt. Beim Galvanisieren wird eine dünne Metallschicht auf Metall- oder Kunststoffoberflächen aufgebracht, um Fahrzeugteile, Handyschalen, Bad-Armaturen oder Schmuck zu veredeln. "Im Abwasser der Betriebe sind vor allem Kupfer-, Nickel- und Chromsalze enthalten, aber auch Edelmetalle", berichtet Walachowicz. Die Metallkonzentration im Abwasser erreicht teilweise die von Erzlagerstätten; Recycling lohnte sich aber bislang nicht. "Der Aufwand für die Rückgewinnung war einfach zu hoch", sagt Walachowicz. Deshalb landeten die wertvollen Galvanikschlämme meist beim Sondermüll.
Fänger für Schadstoffe: Der MemJet-Prozess von Siemens verhindert, dass die Filter bei der Reinigung des Abwassers verstopfen (Schema links). Die Mewaprev-Anlage (rechts) kann Abwässer aus Galvanikbetrieben von Metall-Ionen befreien. Mit Hilfe eines Analysechips (Mitte) soll das Verfahren künftig vollautomatisch ablaufen
Edelmetall aus Abwasser. Mit dem Siemens-Verfahren lassen sich nun die Metallionen kostengünstig extrahieren. Kernstück ist ein Hohlfasermodul. Außen an den Fasern fließt der Abwasserstrom, im Inneren eine "Strip"-Flüssigkeit – im wesentlichen Schwefelsäure. In den Wänden der Fasern sind Poren, die mit einer kerosinähnlichen Flüssigkeit gefüllt sind, deren Zusammensetzung je nach Metall variiert. Die Flüssigkeit lässt nur die Metallionen durch die Poren nach innen wandern, Wasser bleibt dagegen draußen. So erhöht sich sukzessive die Metallkonzentration in der Strip-Flüssigkeit. "Obwohl sie zum Schluss um den Faktor tausend höher ist als die des Abwassers, bleiben die Metalle wegen des niedrigen pH-Werts in der Lösung", erklärt Walachowicz. Sie können anschließend erneut zum Galvanisieren eingesetzt werden.
In Berlin steht eine Pilotanlage, die 50 l Abwasser pro Stunde reinigen kann – was für Galvanikbetriebe zu wenig ist. "Aber technisch ist es kein Problem, die Anlage zu vergrößern", sagt Walachowicz. Die Kosten belaufen sich bei der Pilotanlage auf etwa 80 € pro Kubikmeter Abwasser. Die bisherige, wenig umweltfreundliche Abwasserbehandlung kostet Galvanikbetriebe dagegen etwa 100 € pro Kubikmeter – plus den Kosten für die Entsorgung des Galvanikschlamms.
Zurzeit arbeiten die Siemens-Forscher an einer vollautomatischen Steuerung für die Anlage – mit einem speziellen Analysechip für Echtzeitmessungen, den ein CT-Team um Dr. Frank Arndt entwickelt hat. Im Chip sind mikroskopisch kleine Kanäle integriert. Der Metallgehalt in winzigen Abwassertröpfchen kann direkt auf dem Chip über die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden. "Die Dosierung sowie die Trennung der verschiedenen Metallionen und der Nachweis – alles läuft elektrisch auf dem Chip ab, ohne Pumpen oder andere mechanische Hilfsmittel", berichtet Arndt. Noch in diesem Jahr wollen Arndt und Walachowicz den Chip in die Pilotanlage integrieren.
Ute Kehse