Innovationen der Industrie zur Lösung von Wasserwiederverwendung und -recycling

Wasserknappheit und die Verschlechterung der Wasserressourcen, zusammen mit zunehmend strengeren Umweltvorschriften, bedrohen weltweit die Betriebserlaubnis von Industrien. In vielen Regionen haben jahrzehntelange unkontrollierte industrielle Entwicklungen zur Verschmutzung konventioneller Oberflächengewässer und zur Erschöpfung unterirdischer Wasserressourcen geführt. Mit dem Bevölkerungswachstum und der Hyperurbanisierung stehen Industrieunternehmen in direkter Konkurrenz zur Bevölkerung um Trinkwasser und sind zunehmend auf beeinträchtigte Wasserquellen angewiesen, um die steigende industrielle Produktion aufrechtzuerhalten. Insbesondere greifen Betreiber vermehrt auf unkonventionelle Quellen wie behandeltes Abwasser aus kommunalen Anlagen zurück und setzen strengere Richtlinien für das Wassermanagement und die Wiederverwendung um, wobei Wasser intern recycelt wird. Wirtschaftlich betrachtet ist Wiederverwendung oft günstiger als Entsalzung und mit weniger Genehmigungshürden verbunden.

Zwei Hauptquellen der Wasserversorgung können zur Deckung des industriellen Bedarfs in Betracht gezogen werden: Rückgewinnung von Wasser innerhalb der Anlage und die Nutzung von kommunalem Abwasser in der Nähe. In vielen Industriezweigen ist die Rückgewinnung von Prozesswasser jedoch aufgrund der aggressiven Eigenschaften von Partikeln und Schwebstoffen eine Herausforderung. Die Entwicklung neuer keramischer Membranfiltrationstechnologien ermöglicht es nun, diese schwer zu behandelnden Abwässer zuverlässig und wirtschaftlich aufzubereiten.

Bei Nanostone Water haben wir unsere keramische Filtrationstechnologie eingesetzt, um diese Herausforderungen in einer großen Halbleiterfabrik in Ostchina zu bewältigen. Diese auf fortgeschrittene Montage und Prüfung von großskaligen Integrationseinheiten spezialisierte Anlage musste die Kapazität ihres Abwassermanagementsystems erweitern und modernisieren, um neuen Umweltauflagen gerecht zu werden. Die Fabrik behandelte mehrere verschiedene Abwasserströme und hatte unter irreversibler Verschmutzung und Faserbrüchen durch abrasive Feststoffe gelitten, die die polymeren Membranen beschädigten. Übermäßige Ausfallzeiten führten dazu, dass die Kapazität des Wiederverwendungssystems um 30–40 % unter dem Wasserbedarf der Anlage lag, was zu einem erhöhten Frischwasserverbrauch führte. Nach einem erfolgreichen Pilotversuch installierte die Fabrik das CUF|Shield™ (CM-151)-Membransystem, das mit einem Fluss von 124 l/m²·h bei geringer Stellfläche und einer kombinierten Rückgewinnungsrate von über 95 % arbeitet. Durch die Investition in das neue System erreichte die Fabrik einen stabilen, zuverlässigen Betrieb mit hochwertigem Permeat, reduzierte die Abhängigkeit von Frischwasser und senkte die Entsorgungskosten.

Ein weiteres erfolgreiches Beispiel zur Einhaltung der neuen Zero-Liquid-Discharge-(ZLD)-Vorschriften zur Abwasserbehandlung ist das Xiaojihan-Kohlebergwerk, ein Mitglied der China Huadian Group, das die Kapazität seines Abwassermanagementsystems erweitern musste. Die Mine hatte mit verschiedenen Problemen in ihrem bestehenden Abwasserbehandlungssystem zu kämpfen – einem eingetauchten polymeren Ultrafiltrationsmembransystem. Verschmutzung war zu einem häufigen Problem geworden, und die Häufigkeit von Clean-in-Place-(CIP)-Reinigungen stieg auf mehrere Male pro Woche. In Kombination mit häufigen Faserbrüchen in der PUF-Membran und dem anschließenden Ausfall der nachgeschalteten RO-Membran lag die Behandlungskapazität unter dem Bedarf der Anlage.

Wenn wir die Behandlung kommunal abgeleiteter Abwässer betrachten, sind Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF) und Umkehrosmose (RO) die am häufigsten eingesetzten Membrantechnologien zur Wiederverwendung von Abwasserströmen und zur Bereitstellung der für industrielle Prozesse wie Kesselspeisewasser und Reinstwasser erforderlichen Wasserqualität. Wird kommunales Abwasser behandelt, ist eine Entfernung organischer und biologisch aktiver Stoffe notwendig. Die meisten polymeren MF-/UF-Systeme können bei ordnungsgemäßer Vorbehandlung hochwertiges Wasser für einen sicheren RO-Betrieb liefern. In zunehmender Zahl von Fällen jedoch kommt es zu Permeabilitätsverlusten und vorzeitigem Versagen der Systeme – verursacht durch höhere Konzentrationen organischer Stoffe, größere Mikroorganismenpopulationen und andere Partikel. Dies beeinträchtigt die Leistung der nachgeschalteten RO, was häufigere chemische Reinigungen und häufigeren Austausch zur Folge hat.

In solchen Fällen haben sich keramische Ultrafiltrationsmembranen gegenüber polymeren Membranen als vorteilhaft erwiesen. Zu den Vorteilen zählen weniger komplexe Anforderungen an die Vorbehandlung, eine höhere Toleranz gegenüber Schwankungen der Zulaufwasserqualität, höhere Flussraten, bessere Rückgewinnbarkeit sowie ein robuster und zuverlässiger Betrieb. In bestimmten Anwendungen haben keramische UF-Membranen sogar bewiesen, dass sie industrielles Abwasser direkt, beispielsweise ohne vorgeschalteten Absetzer, behandeln können und dennoch eine stabile Permeatqualität für das nachgeschaltete RO liefern.

Die keramische Membranfiltration eröffnet neue Möglichkeiten zur Bewältigung unserer Wasserprobleme, indem sie die Behandlung und Rückgewinnung industrieller und kommunaler Abwasserströme ermöglicht. Mit zunehmender Innovation und wachsender Produktionskapazität ist zu erwarten, dass sich keramische Membranfiltration als zentrale Strategie zur Rückgewinnung wertvollen Wassers weiter durchsetzt.

Artikelquelle: IDA Global Connections, Sommer 2021