Abwasservorbehandlungen

Mit einem Mineralölabscheider werden wasserunlösliche, aufschwimmende Substanzen wie Kohlenwasserstoffe, Öle und Fette sowie Benzin und Diesel vom Abwasser abgetrennt. Ein Koaleszenzabscheider hat grundsätzlich eine höhere Reinigungsleistung als ein Ölabscheider. Diese beiden Verfahren sind effizient und einfach im Betrieb, und liefern einen sehr wichtigen Beitrag für den Gewässerschutz.

Im Ölabscheider werden die Stoffe (Leichtflüssigkeiten wie Benzin und andere Mineralöle) anhand ihrer geringeren Dichte vom Abwasser abgetrennt, wobei freies Öl, welches je nach Abwasserherkunft und Prozess im Abwasser auftreten kann, möglichst an der Quelle zurückgehalten werden muss. Da die abzutrennenden ölhaltigen Stoffe eine geringere Dichte aufweisen als Wasser sammeln sich diese Flüssigkeiten im strömungsberuhigten Abscheidebehälter an der Abwasseroberfläche an. Das auf diese Weise abgeschiedene Öl muss je nach Anfall abgepumpt werden. Das Öl-freie Wasser fliesst über den Auslauf in die Kanalisation. Je nach Typ und Ausrüstung des Mineralölabscheiders wird der Ablauf automatisch verschlossen, sobald sich eine gewisse Menge an Mineralöl im Abscheider befindet. Dies ist beispielsweise bei Tankstellen notwendig, damit bei einem Austritt von grösseren Mengen an Treibstoffen diese nicht in die Kanalisation gelangen können.

Koaleszenzabscheider verfügen über einen höheren Abscheidegrad als normale Mineralölabscheider. Er wird üblicherweise im hintersten Teil des Abscheiders installiert, so dass das restölhaltige Abwasser diesen durchströmt. Beim Durchfliessen des Koaleszenz-Filters lagern sich Öltröpfchen auf dem Filtermedium ab. Kleine Öltröpfchen, die über zu wenig Auftrieb verfügen, bleiben am Koaleszenzfilter hängen und verbinden sich mit weiteren vorbeiströmenden Tröpfchen (Koaleszieren). Sind genügend kleine Öltröpfchen miteinander verschmolzen steigen diese Öltropfen an die Abwasseroberfläche auf, und können zusammen mit den anderen abgeschiedenen Flüssigkeiten aus dem System abgepumpt werden. Der Einsatz von Tensiden stört die Effizienz des Koaleszenzabscheiders, weil durch die Tenside die abzuscheidenden Stoffe in der Lösung stabilisiert werden. Bei beiden Verfahren ist zu beachten, dass bei stabilen Emulsionen die Stoffe schwierig zu eliminieren sind.

Die Emulsionsspaltung wird eingesetzt, um emulgierte Stoffe, wie Öle oder Lösungsmittel, aus dem Abwasser zu entfernen. Dazu wird ein Spaltpulver – unter anderem bestehend aus Ben-tonit und einem Flockungshilfsmittel (Polyacrylat) – dem Abwasser beigemischt. Dies führt zur Bildung von Schlammflocken, welche die emulgierten Stoffe binden und aus dem Abwasser ent-fernen. Wird das Abwasser zusätzlich mit Aktivkohle behandelt lassen sich auch gelöste Biozide effektiv eliminieren8. Die Emulsionsspaltung wird in Kompaktanlagen – sogenannte Spaltanla-gen – kommerziell angeboten. Eine klassische Ausführung besteht aus einem Reaktor, in wel-chem eine Fällung und Flockung und teilweise zusätzlich eine Neutralisation durchgeführt wird. Die Feststoffe werden über einen nachgeschalteten Filter (z.B. Bandfilter, Sackfilter, Schrägklä-rer) zurückgehalten.

Ein Fettabscheider dient dem Rückhalt von Fett- und Ölanteilen tierischen und pflanzlichen Ursprungs. Diese können sich an den kalten Rohrleitungswänden absetzen und zu Verkrustungen und infolgedessen zu Rohrverstopfungen führen. Bei einer längeren Verweildauer von Ölen und Fetten in den Kanälen kann es zu unangenehmen Geruchsentwicklungen und/oder – bedingt durch die aggressiven Fettsäuren – zur Korrosion von fettsäureunbeständigen Materialien kommen. Ein Fettabscheider besteht aus einem Behälter, in den das Abwasser eingeleitet wird. Aufgrund ihrer geringeren Dichte und ihrer wasserabstossenden Eigenschaften schwimmen Fette auf der Wasseroberfläche auf. Durch eine Absenkung der Temperatur kann die Abscheidewirkung der Fette verbessert werden (deren Löslichkeit ist stark temperaturabhängig). Weitere Stoffe, wie zum Beispiel Essensreste, setzen sich am Boden des Schlammfangs ab. Der VSA hat ein Merkblatt zum Thema Fettabscheider erarbeitet.

Der Schlammfang dient zur Abscheidung mineralischer Verunreinigungen, wie Sand und Kies, und wird häufig bei der Entwässerung von Waschplätzen und bei der Fahrzeugreinigung eingesetzt. Schlammsammler sind in der Regel mit einem Tauchbogen ausgerüstet, welcher dem Rückhalt von ölhaltigen Substanzen dient. Schlammsammler kommen bei der Strassenentwässerung zum Einsatz.

Die Sedimentation kommt branchenübergreifend zum Einsatz, wenn sich partikuläre Stoffe bei längerer Verweilzeit im beruhigten Wasser absetzen lassen. Die Abwasserführung ist üblicherweise so gestaltet, dass die im Abwasser enthaltenen Feststoffe absinken und in konzentrierter Form abgezogen werden. Je nach Platzverhältnissen werden entweder konventionelle Sedimentationsbecken (Längs- und Rundklärbecken) oder Schrägklärer (vergrösserte Sedimentationsflächen durch Lamellen) verwendet. Bei Schräg- und Lamellenklärern kann durch die Zugabe von Fäll- und Flockungshilfsmitteln der Wirkungsgrad verbessert werden. Kleine Sedimentationsbecken verfügen am Boden über Trichter, in denen sich die sedimentierten partikulären Stoffe ansammeln und mit geeigneten Entwässerungseinrichtungen abgezogen werden können. Grössere Sedimentationsbecken verfügen zusätzlich über Räumer, welche den sedimentierten Schlamm zum Trichter hin fördert.

Mit der Siebung werden grobe partikuläre Stoffe vom Abwasser abgetrennt und müssen daher nicht in nachfolgenden Behandlungsstufen entfernt werden. Die Siebung wird eingesetzt, wenn die partikulären Stoffe mittels Sieb gut vom Abwasser abgetrennt werden können. Ein Vorteil liegt darin, dass das Siebgut in konzentrierter Form anfällt und direkt abgeführt werden kann. Je nach Art und Grösse der Stoffe, dem erforderlichen Abscheidegrad, dem vorgelagerten Produktionsprozess und der weiteren Abwasserinhaltsstoffe gibt es verschiedenste Ausführungen (z.B. Trommelsieb, Bogensieb, Schwingsieb).

Bei der Filtration können verschiedenste Technologien (Trommelsiebe, Bogensiebe, Sandfilter etc.) wie auch Filtrations-Materialen verwendet werden. Ausschlaggebend für die Verfahrens- und Materialwahl sind jedoch (i) die Partikelgrösse der zu filtrierenden Stoffe, (ii) das zu filtrierende Abwasservolumen, und (iii) die geforderten Ablaufwerte nach der Filtration. Bei der Filtration wird das Abwasser entweder mittels Schwerkraft oder mittels Pumpe über das Filtermedium geleitet. Dabei werden die Partikel, welche grösser sind als die Poren des Filtermediums, zurückgehalten. Je nach Verfahren werden die verwendeten Filter zurückgespült oder sind nach dem Gebrauch zu entsorgen. Die Filtration wird meistens als letzte Stufe der Abwasservorbehandlung eingesetzt (z.B. nach der Fällung/Flockung).

Mit der Flotation werden kleine, partikuläre Stoffe (aber auch Stoffe und Flüssigkeiten mit einer geringeren Dichte als Wasser) aus dem Abwasser durch Aufschäumen respektive Aufschwimmen abgetrennt (kann auch bei leichten organischen Feststoffen vorteilhaft sein). Ein zentraler Teil dieses Verfahrens ist die Erzeugung feinster Luftbläschen. Diese lagern sich an der Oberfläche der zu entfernenden Stoffe an und erhöhen dadurch deren Auftrieb, was sich positiv auf die Abtrennleistung auswirkt. Bedingt durch die Verfahrensführung fällt auf der Wasseroberfläche ein Luft-/Feststoffgemisch (Flotat) an, welches mittels Räumer abgezogen wird. Durch die Zugabe von Fäll- und Flockungshilfsmitteln kann die Effizienz des Verfahrens erhöht werden. Es existieren grundsätzlich drei verschiedene Flotationstypen, abhängig von der Erzeugung der Gasbläschen. Dies sind: Turbulenz-, Elektro- und Entspannungsflotation.

Die Membranfiltration ist ein sehr breit eingesetztes Verfahren und lässt sich gut mit weiteren Verfahren kombinieren. Die Membranfiltration lässt sich anhand der Porengrösse weiter unterteilen in Mikrofiltration (> 0.1 µm) und Ultrafiltration (> 10-100 nm). Bei der Nanofiltration und der Umkehrosmose handelt es sich um Diffusionsmembranen. Mit der Mikro- und Ultrafiltration werden Feststoffe wie auch Bakterien abgetrennt. Die Ultrafiltration stellt zudem eine absolute Barriere für Viren dar. Durch die Nanofiltration werden Makromoleküle und zweiwertige Ionen zurückgehalten, während mittels Umkehrosmose sämtliche Ionen (> 99 %) vom zu reinigenden Abwasser entfernt werden können. Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Porengrösse der Membran, desto besser muss die Vorfiltration sein; eine Umkehrosmose kann beispielsweise nicht direkt mit feststoffhaltigem Abwasser beaufschlagt werden, da Stoffe wie Öle, Fette oder Partikel die Membran verstopfen können. In der Praxis werden daher oftmals verschiedene Membranverfahren in Serie geschaltet. Eine der häufigsten Anwendungen ist die Ultrafitration in Kombinationen mit der Umkehrosmose; wobei Erstere die Feststoffabtrennung vornimmt, um das «Fouling» auf der Membrane der Umkehrosmose zu reduzieren. Die Umkehrosmose reduziert den Ionen- und Salzgehalt des behandelten Abwassers. Dadurch entsteht hochreines Wasser. Beim Konzentrat ist zu beachten, dass es zu keinen Ausfällungen von Härtebildnern (Kalzium, Magnesium) kommt. Dies kann durch eine vorgängige Enthärtung des zu behandelnden Abwassers (z.B. mittels Ionentauscher; siehe weiter unten) oder durch die Zudosierung eines Antiscalants (z.B. Polyacrylsäuren, Phosphonate) verhindert werden. Je nach Abwasserzusammensetzung kann der Betrieb einer Membranfiltration sehr teuer sein.

Adsorptive Verfahren eliminieren organische Stoffe grösstenteils durch Adsorption aus dem Abwasser. Dazu können spezifische Adsorber (z.B. Adsorberharze, Kalk-/Eisenhydroxide oder Zeolithe für Schwermetalle) oder Aktivkohle eingesetzt werden. Einige Adsorber werden sehr spezifisch für die selektive Adsorption von spezifischen Schadstoffen eingesetzt, während die Aktivkohle häufig zur nicht selektiven Adsorption (Breitbandwirkung) verwendet wird. Je nach Verwendungszweck werden unterschiedliche Aktivkohletypen in unterschiedlicher Korngrössenverteilung verwendet (pulverförmig oder als Granulat). Die pulverförmige Aktivkohle kann in den Reaktoren dem Abwasser beigemischt werden, muss dann aber wieder effizient abgetrennt werden. Die granulierte Kohle kann in geschlossenen Filtern oder Filterbecken eingesetzt werden und wird nach Erschöpfung der Adsorptionsleistung regeneriert. Die Aktivkohle kommt branchenübergreifend zum Einsatz.

Bei der Verdampfung wird ein Teil des Abwassers (oder des rückzugewinnenden Lösungsmittels) in den gasförmigen Zustand überführt (in der Regel bei Temperaturen im Bereich von 40 bis 90 °C). Dabei ist entscheidend, dass die zu eliminierenden Abwasserinhaltsstoffe (z.B. Salze, organische Stoffe) einen kleineren Dampfdruck als Wasser aufweisen und somit nicht unter diesen Bedingungen in die Gasphase übergehen. Auf diese Weise können zum Beispiel Gemische oder Stoffe, die sich nicht über andere Technologien aufkonzentrieren lassen, eingedampft und die zu entsorgende Abwassermenge auf ein Minimum reduziert werden (wird insbesondere bei kleineren Abwasservolumina eingesetzt, um das Abfallvolumen zu reduzieren; z.B. bei Galvanik-Kleinbetrieben). Verdampfer können mittels Dampf oder elektrisch betrieben werden. Bei sogenannten Brüdenverdichtern lässt sich durch Verdichtung der Brüden (Dämpfe) ein Grossteil der Energie zurückgewinnen und zur Verdampfung wiederverwenden. Die Eindampfung eines Abwassers ist sehr energieintensiv und daher teuer im Betrieb: je nach Verfahren und Mehrstufigkeit eines Verdampfers können grössere Unterschiede beim Energieverbrauch bestehen; als Richtwert wird bei kleinen Verdampfern (10 m³/h) mit einem Energieverbrauch von 35-70 kW/m³ gerechnet. Tenside können den Betrieb stören, da der Schaum bei der Verdampfung mitgerissen werden kann. Dies lässt sich teilweise mit Hilfe von Entschäumern verhindern. Das anfallende Destillat ist wiederverwendbar.

Eine Spezialform der Verdampfung ist die Rektifikation (Gegenstromdestillation). Bei der Rekti-fikation werden mehrere Verdampfungsschritte hintereinandergeschaltet. Die Trennleistung ist dadurch um ein Vielfaches höher als bei der einstufigen Destillation.

Die flüssig-flüssig Extraktion erfolgt mithilfe von zwei nicht miteinander mischbaren Lösungsmitteln. Es wird vielmals eine hydrophile Phase (z.B. Wasser) und eine hydrophobe Phase (z.B. organisches Lösungsmittel) verwendet. Die zu eliminierende Substanz verteilt sich auf die beiden Phasen in einer Gleichgewichtsreaktion. Durch Abtrennung und Verdampfung des Extraktionsmittels kann der Zielstoff gewonnen werden. Dieser Extraktionsprozess kann entweder kontinuierlich oder Batchweise durchgeführt werden.

Bei der Abwasserverbrennung (> 1000 °C) werden die enthaltenen organischen Stoffe thermisch vollständig zerstört. Die Abwasserverbrennung ist sehr energieintensiv und daher sehr teuer in Betrieben, wo die Abwärme nicht mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad verwertet werden kann. Durch eine Verbrennung der konzentriertesten Abwasserströme kann die betriebsinterne Abwasservorbehandlungsanlage kleiner dimensioniert und der Entsorgungsprozess so insgesamt effizienter betrieben werden.

Ionentauscher können als Anionen- oder Kationentauscher eingesetzt werden. So können unterschiedliche Ziel-Ionen aus dem Abwasser eliminiert werden. Dabei gilt, je höher die Ladungsdichte eines Ions desto stärker wird es an das Ionentauscherharz gebunden. Der häufigste Einsatz von Ionentauschern stellt die Enthärtung von Wasser mittels Kationentauscher in der Natrium-Form dar (die Härtebildner Kalzium und Magnesium werden dabei durch Natrium ausgetauscht). Die Regeneration erfolgt mittels hochkonzentrierter Kochsalz-Lösung, wodurch die auf dem Ionentauscherharz adsorbierten Härtebildner durch Natrium in einer Gleichgewichtsreaktion wieder ersetzt werden.

In der industriellen Abwasserbehandlung werden Ionentauscher für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden in der galvanischen Industrie Anionen- und Kationentauscher für die Wasserregeneration bei Kreislaufführungen von Spülbädern eingesetzt. Oder in Industrien, bei denen Schwermetalle anfallen, die sich nicht durch Hydroxid- /Sulfidfällung restlos entfernt lassen (siehe weiter unten), werden Ionentauscher zur Schwermetallelimination eingesetzt. Ionentauscher sind bei der Metalloberflächenbehandlung/Galvanik nicht als Schlussfilter (End-of-pipe Schaltung) erlaubt.

Beim Strippen werden die (leicht-)flüchtigen Stoffe (z.B. chlorierte Kohlenwasserstoffe) mittels Luft oder Dampf aus dem Abwasser ausgetrieben. Das Strippen erfolgt dabei entweder durch Entspannung/Austreibung (siehe Flotation) oder durch Desorption mittels Temperaturerhöhung[1]. Leichtflüchtige und wenig wasserlösliche organische Substanzen können beispielsweise durch die Luftstrippung aus dem Abwasser entfernt werden (Ammoniakstrippung zur Stickstoffrückgewinnung). Der erzielbare Reinigungseffekt ist dabei abhängig von der Abwasserbeschaffenheit, den physikalischen Eigenschaften der zu eliminierenden Stoffe und der eingesetzten Luftmenge.

[1] Förtsch und Meinholz (2014). Handbuch betrieblicher Gewässerschutz (Kapitel zur Strippung, S. 293), ISBN 978-3-658-03323-1.

Bei der Elektrolyse werden Abwasserinhaltsstoffe durch Anlegen eines elektrischen Stroms aufgespalten oder abgeschieden. Die Elektrolyse wird in zahlreichen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise bei der Chloralkali-Elektrolyse, der Herstellung und Reinigung von Metallen durch Schmelzelektrolyse, oder der Herstellung von Wasserstoffperoxid. Für die Abwasservorbehandlung ist dieses Verfahren nicht weit verbreitet im Einsatz, wird aber vor allem dann eingesetzt, wenn Wertstoffe rückgewonnen werden sollen. Die Elektrolyse kann zudem bei der Elektroflotation zur Herstellung der Luftbläschen genutzt werden.

Die Elektrodialyse stellt eine Kombination der Elektrolyse mit Membranverfahren dar. Sie ist dadurch charakterisiert, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes eine selektive Konzentrierung von Ionen erfolgt. Auf diese Weise ermöglichen Anionen- und Kationenaustauschmembranen eine Trennung der positiv und negativ geladenen Ionen. Mittels Elektrodialyse können salzhaltige Abwässer (Brackwasser) teilentsalzt werden; eine spezielle Form stellt die bipolare Elektrodialyse dar, bei welcher aus salzhaltigen Wässer schwache Säuren und Laugen (zirka 4%) hergestellt werden können.

Bei der Rückgewinnung von Metallen wie Kupfer, Nickel oder Zinn macht die Elektrolyse lediglich in Halbkonzentraten oder Konzentraten Sinn. Zur Erreichung von geringen Konzentrationen wird idealerweise eine nachgeschaltete Behandlung mittels Ionentauscherharzen kombiniert. Die abgearbeitete Lösung kann entweder in der Abwasservorbehandlungsanlage aufbereitet werden, oder muss aufgrund der hohen Salzfrachten extern entsorgt werden.

Bei der Arbeit mit gentechnisch veränderten oder pathogenen Organismen und biologischen Materialien entstehen kontaminierte oder potentiell kontaminierte Abfallströme. Im Labor- wie im Produktionsmassstab müssen diese Abfallströme mindestens so inaktiviert werden, dass sie weder Mensch, Tier, Umwelt noch die biologische Vielfalt gefährden können[1]. Standardverfahren der Inaktivierung von biologisch kontaminiertem Abwasser sind neben dem klassischen Autoklavieren, rein thermische (vielmals kontinuierliche Betriebsweise) oder rein chemische (z.B. pH-Erhöhung) Inaktivierungsmethoden oder Kombinationen hiervon. Die Wirksamkeit der gewählten Methode muss nachgewiesen werden. Auch muss bei chemischen Verfahren der damit verbundene Eintrag weiterer reaktiver, möglicherweise schädlicher Stoffe in den Abwasserstrom berücksichtigt werden.

[1] Verordnung über den Umgang mit Organismen in geschlossenen Systemen (Einschliessungsverordnung, ESV) vom 9. Mai 2012, (Stand am 1. Januar 2020) SR 814.912

Die Neutralisation von Industrieabwasser ist ein breit angewendetes Verfahren und wird oft in Kombination mit anderen Verfahren (z.B. Fällung/Flockung) eingesetzt. Auf diese Weise wird die Kanalisation vor Korrosion und die nachgeschalteten biologischen Behandlungsschritte vor einer Hemmung der Bakterien geschützt. Die Neutralisation des Abwassers wird zur Einstellung des pH-Werts durchgeführt. Im Gegensatz zum chemischen Verständnis einer neutralen Lösung (pH 7) lässt die Gewässerschutzverordnung einen pH zwischen 6,5 und 9 zu (bei einer Einleitung in die öffentliche Kanalisation sind Abweichungen bei ausreichender Vermischung in der Kanalisation zulässig). Alle Werte ausserhalb dieser Skala können entweder mit Säure, CO₂ oder Lauge entsprechend neutralisiert werden. Die Zugabe von Säure und Lauge wird mittels pH-Elektrode gesteuert. Es ist wichtig, dass das zu neutralisierende Medium voll durchmischt ist, da ansonsten eine Neutralisation nur lokal an der Dosierstelle stattfindet.

Grundsätzlich kann zwischen einer Chargen- und Durchlaufneutralisation unterschieden werden. Bei einer Chargenneutralisation kann durch verschiedene Abwasserstränge beziehungsweise Chargen bereits eine gewisse pH-Einstellung erfolgen ohne zusätzliche Dosierung von Säure/Lauge.

Bei der Fällung werden gelöste Stoffe in eine unlösliche Form überführt. Dies wird erreicht, indem ein Fällmittel zugegeben und der pH-Wert so verändert wird, dass der auszufällende Stoff unter den vorherrschenden Bedingungen die geringste Wasserlöslichkeit aufweist. Die ausgefällten Stoffe werden danach mittels fest-flüssig Trennverfahren separiert und eingedickt. Je nach Feststoffgehalt kann die Feststoffabtrennung mittels Sedimentation, Eindickung, Flotation oder Direktfiltration durchgeführt werden (siehe weiter oben). Zur weiteren Eindickung oder Entwässerung kommen meist Filterpressen oder Zentrifugen zum Einsatz. Der anfallende Reststoff wird, wenn möglich, verwertet.

Nachfolgend wird im Speziellen auf die Fällung von Metallen eingegangen, weil dies in der Praxis einen grossen Anwendungsbereich darstellt.

Wie oben beschrieben wird auch zur Fällung von Metallen der entsprechende pH-Bereich eingestellt, wo das zu fällende Metall die geringste Löslichkeit aufweist. Sind mehrere Metalle gleichzeitig zu fällen, muss der optimalste pH-Bereich ermittelt werden; zudem kann durch die Wahl eines geeigneten Neutralisationsmittels der optimale pH-Bereich für die Metallfällung erweitert werden. Alternativ kann entweder ein zweistufiges Verfahren eingesetzt werden oder die Hydroxidfällung durch eine zusätzliche Fällung mit Natriumsulfid oder einem Organosulfid nachgeschaltet erfolgen. Da die Löslichkeit der Metallsulfide deutlich geringer ist, wird in den meisten Fällen eine kombinierte Hydroxid/Sulfid-Fällung vorgenommen. Die Löslichkeiten der entsprechenden Metalle in Abhängigkeit des pH-Werts sind beispielsweise in[1] aufgelistet. Es ist jedoch anzumerken, dass es sich hierbei um theoretische Werte handelt, die in der Praxis bedingt durch Abwasserinhaltsstoffe wie organische Stoffe oder Salze abweichen können. Die optimalen Einstellungen und Dosiermengen ist daher im Rahmen von Laborversuchen vorgängig zu ermitteln.

Es kann vorkommen, dass in gewissen Abwässern, wo in den vorgelagerten Bearbeitungsprozessen Komplexbildner – wie Amine, Zitronensäure, EDTA, Weinsäure, Polyphosphat – zum Einsatz kommen, die Ausfällung von Metallen erschwert oder gar unmöglich ist. In diesen Fällen sind zusätzliche Behandlungsschritte notwendig, um die Wirkung solcher Komplexbildner zu unterbinden. Neben weiteren möglichen Massnahmen kann beispielsweise die Fällung der entsprechenden Metalle mit Natriumsulfid oder mit Organosulfiden im neutralen oder allenfalls im alkalischen Bereich durchgeführt werden. Alternative Komplexspalter sind Trimercaptotriazin, Dimehtyldithiocarbamat (Hemmung der biologischen Abwasserreinigung möglich) oder Thioharnstoff. Für die Spaltung starker Komplexbildner kann aber auch ein Selektivionentauscher – vorwiegend für zweiwertige Metalle, oder eine Oxidation (Ozon, Wasserstoffperoxid mit Eisen(II)-Salz, Wasserstoffperoxid in Kombination mit UV; siehe weiter unten) eingesetzt werden.

Einige Metalle können auch als Anion vorliegen und bedingen andere Behandlungsmethoden. Am häufigsten wird Chromat in der metalloberflächenbehandelnden Industrie eingesetzt. Chrom(VI) ist bei der Behandlung zuerst mit Natriumbisulfit oder Eisen(II)-Salzen in die drei-wertige Form zu überführen (siehe weiter unten «Reduktion») und anschliessend als Chrom(III)-hydroxid auszufällen. Metalle wie Arsen, Molybdän, Wolfram, die ebenfalls in anionischer Form vorliegen, können nicht direkt gefällt werden und lassen sich durch Anlagerung an Eisenhydroxide entfernen.

Neben Metallen lassen sich auch weitere Anionen, wie Phosphate, Sulfate, Fluoride oder Sulfide ausfällen. Dazu werden ja nach vorgegebenem Grenzwert entsprechend stöchiometrische Überschüsse benötigt.

[1] Wilhelm S., Wasseraufbereitung Chemie und chemische Verfahrenstechnik, 7. Aktualisierte Auflage, Springer, 2007. Hagen, WABAG Handbuch Wasser, 9 Auflage, Vulkan Verlag, 2000

Bei der Flockung werden suspendierte Stoffe zu grösseren Agglomeraten zusammengeführt. Diese lassen sich durch physikalische Verfahren wie Sedimentation, Filtration, Flotation von der wässerigen Phase abtrennen. Die Flockung eliminiert zudem eine grosse Bandbreite an Stoffen aus dem Abwasser (wie beispielsweise bereits gefällte Schwermetalle, emulgierte Kohlenwasserstoffe, Fluoride, Phosphate, und Sulfate, sowie Farbstoffe und Pigmente), und wird daher für die Behandlung von vielen verschiedenen Industrie- und Gewerbeabwässern eingesetzt. Die Flockung lässt sich in die drei Verfahrensstufen (i) Koagulation, (ii) Neutralisation und (iii) Flockulation unterteilen. Bei der Koagulation wird das zu behandelnde Abwasser elektrochemisch entstabilisiert, entweder durch die zusätzliche Zugabe einer zwei- oder dreiwertigen Metall-Lösung oder bei der Elektrokoagulation unter Verwendung einer Eisen- beziehungsweise Aluminium-Opferanode. Bei der Verfahrensstufe Neutralisation wird der pH neutralisiert (im neutralen pH-Bereich bilden sich Mikroflocken aus), während bei der Flockulation die Bildung von Makroflocken durch Zugabe von Flockungshilfsmitteln oder einem Polyelektrolyten erfolgt. Diese Polyelektrolyte lagern sich vorwiegend an den gebildeten Flocken an und belasten das Abwasser nur in geringem Mass. Diese Polyelektrolyte sind nur teilweise biologisch abbaubar und die Dosierung soll auf das Nötigste reduziert werden. Damit die Schadstoff-Eliminationseffizienz möglichst hoch ist, müssen für die drei Flockungs-Verfahrensschritte jeweils die optimalen Rahmenbedingungen eingehalten werden. Diese sind: (i) Reaktionszeiten, (ii) Reaktionsbedingungen, (iii) verwendete Chemikalien (Flockungshilfsmittel), (iv) pH-Bereich.

Bei oxidativen Verfahren werden die zu eliminierenden Stoffe in einer chemischen Reaktion umgesetzt, wobei sich das Oxidationsmittel verbraucht. Oxidative Verfahren werden in der Abwassertechnik eingesetzt, wenn folgende Anforderungen an die Reinigung bestehen: (i) (Teil-) Oxidation persistenter organischer Verbindungen (Mikroverunreinigungen), (ii) Entgiftung von Abwasser (z.B. Cyanid-Entgiftung (CN-)), (iii) Entfärbung von Abwasser, (iv) Desinfektion des Abwassers.

In diesem Kapitel wird auf die wichtigsten oxidativen Verfahren eingegangen, die zur Behandlung von Industrie- und Gewerbeabwasser eingesetzt werden. Diese sind: (i) Ozon, (ii) UV-Oxidation (in Kombination mit einem Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid, oder einem Katalysator wie Palladium), (iii) Oxidation mit aktiviertem H₂O₂ (Wasserstoffperoxid; in Kombination mit einem Katalysator wie Silber- und Eisenionen (Fenton-Prozess) oder UV), (iv) Oxidation mit Javelwasser (NaOCl), und (v) Oxidation mit Kaliumpermanganat. Bei der Oxidation mittels Fenton-Reaktion fällt ein Eisenhydroxid-Schlamm an, der entwässert und entsprechend entsorgt werden muss.

Oxidative Verfahren können miteinander kombiniert werden: beispielsweise kann Ozon mit UV oder Wasserstoffperoxid kombiniert werden. In diesem Fall wird die Bildung der Hydroxyl (OH^•)-Radikale – auf Kosten des Ozon – beschleunigt, was zu einer grösseren unspezifischen Oxidationsleistung führt. Diese sogenannten «Advanced Oxidation Processes» (AOPs) werden dann eingesetzt, wenn die zu eliminierenden Stoffe besonders persistent sind. Verfahren mit Wasserstoffperoxid und UV sind eher teuer und werden insgesamt nicht sehr häufig zur Behandlung von Industrieabwasser eingesetzt.

Bei oxidativen Prozessen ist zu prüfen, ob ein spezifisches Abwasser für eine oxidative Behandlung geeignet ist, insbesondere, wenn Ozon zum Einsatz kommt. Es kann unter gewissen Umständen vorkommen, dass toxische Reaktionsprodukte übermässig gebildet werden (z.B. Nitrosamine, wenn entsprechende Vorläufersubstanzen im Abwasser enthalten sind; Bromat, wenn bromidhaltige Abwässer mit Ozon behandelt werden)[1]. Gewisse Abwasserinhaltsstoffe wie organisches Material (DOC) und teilweise Nitrit zehren stark die Oxidationsmittel, was sich negativ auf die Reinigungsleistung auswirkt. Daher ist eine entsprechende Vorbehandlung effektiv. Im Weiteren sind oxidativen Verfahren eine biologisch aktive Stufe nachzuschalten, um allfällige labile, toxische Reaktionsprodukte wieder abzubauen.

Im Metallgewerbe wird die Cyanid-Entgiftung mit Javelwasser (= Natriumhypochlorit, NaOCl) durchgeführt (die AOX-Bildung ist dabei zu berücksichtigen). Wichtig ist, dass der pH-Wert im stark alkalischen Bereich (mindestens bei pH 12) und die Temperatur unter 38°C liegt, um die Bildung des ebenfalls sehr toxischen Zwischenprodukts Chlorzyan zu verhindern (Blausäurebildung ist im alkalischen Bereich nicht relevant). Dieser Prozess der Cyanid-Entgiftung führt zu erhöhten Ammonium-Konzentrationen im Abwasser. Zunehmend wird die Cyanid-Entgiftung mittels Wasserstoffperoxid und UV durchgeführt. Auf diese Weise lässt sich die AOX-Bildung vermeiden.

[1] Von Gunten, U. (2018). Oxidation Processes in Water Treatment: Are We on Track? Environmental Science and Technology, 52, 5062-5075.

Zur Elimination von Chrom(VI) und Nitrit sind reduzierende Prozesse notwendig. Bei der Chromat-Entgiftung wird Chrom(VI) mittels Natriumbisulfit (bei pH-Werten unter 2.5) oder Eisen(II)-Salzen zu Chrom(III) reduziert, und kann anschliessend unter neutralen pH-Bedingungen als Hydroxide ausgefällt werden. Zur Entfernung von Nitrit aus dem Abwasser wird Amidosulfonsäure bei einem pH von 4 beigegeben. Nitrit wird dabei zu Luftstickstoff (N₂) reduziert. Zusätzlich fällt Sulfat an. Nitrit kann aber auch mit biologischen Prozessen (z.B. Denitrifikation) zu N₂ reduziert werden (jedoch besteht dann die Gefahr einer erhöhten Lachgas-Bildung).

Bei der aeroben Abwasserbehandlung werden biologisch abbaubare organische Stoffe sowie Nährstoffe durch Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen (d.h. mit Sauerstoff) eliminiert.

Heterotrophe Mikroorganismen benötigen als Kohlenstoffquelle organisch gebundenen Kohlenstoff. Damit unterscheiden sie sich von den autotrophen Organismen, die den Kohlenstoff aus dem CO₂ in der Atmosphäre beziehen. Heterotrophe Mikroorganismen wachsen normalerweise schnell. Bei einem aeroben Stoffwechsel bauen sie organische Stoffe mit Hilfe von Sauerstoff ab und gewinnen gleichzeitig Energie. Ein Grossteil der organischen Stoffe wird für das Wachstum verwendet, die so entstandene Biomasse fällt als Schlamm an und muss abgetrennt werden.

Für die Nitrifikation sind meist autotrophe Mikroorganismen verantwortlich. Dies bedeutet, dass CO₂ als Kohlenstoffquelle zum Wachstum benutzt wird. Dazu ist die Oxidation von Stickstoffquellen (z.B. Ammonium) notwendig. Ammonium (NH₄⁺) bzw. Ammoniak (NH₃) wird von nitrifizierenden Mikroorganismen zu Nitrit (NO₂^–) und nachfolgend zu Nitrat (NO₃^–) oxidiert. Insbesondere beim zweiten Prozess (Umwandlung zu Nitrat) fällt weniger Energie an, deshalb wachsen diese Mikroorganismen langsamer. Die Nitrifikation läuft aerob ab und benötigt deshalb Sauerstoff. Verschiedene Faktoren beeinflussen die Nitrifikation: Substratkonzentration, Temperatur, Sauerstoffgehalt, pH, Desinfektionsmittel. Bei der Nitrifikation wird die Wasseralkalinität reduziert, d.h. der pH-Wert sinkt. Optimal ist ein pH-Wert von 6.5 bis 9.0. Sinkt der pH-Wert zu stark kann die Nitrifikation zum Erliegen kommt. Ein Absenken des pH-Werts kann durch die Zugabe eines Puffers (z.B. Natriumhydrogencarbonat) verhindert werden. Erhöhte Nitritkonzentrationen weisen auf ein Problem bei der Nitrifikation hin. In diesen Betriebszuständen fallen zudem erhöhte Lachgas-Emissionen an.

Für die Denitrifikation sind autotrophe und heterotrophe Organismen verantwortlich. Nitrat wird mit Hilfe von Mikroorganismen zu elementarem, gasförmigem Stickstoff umgewandelt. Dieser Prozess verläuft normalerweise ohne Sauerstoff (d.h. anoxisch), benötigt jedoch unter Umständen die Zugabe einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle. Grosser Vorteil ist die Reduktion der Gesamtstickstofffracht und die Verbesserung der Pufferkapazität (Erhöhung der Alkalinität).

Bei einer häufig ändernden Abwasserzusammensetzung ist die Adaption der Biologie von grosser Bedeutung. Eine biologische Abwasservorbehandlung ist vergleichsweise teuer (z.B. Schlammbehandlung und -entsorgung, Energie für Belüftung der Biologie, zu dosierende Nährstoffe bei einseitiger Abwasserzusammensetzung), und wird daher bei der industriellen Abwasserbehandlung nur dann realisiert, wenn keine alternativen Lösungen bestehen.

Die biologische Behandlung kann in unterschiedlichen Verfahrensführungen realisiert werden. Sie kann als konventionelles Verfahren mit suspendiertem Belebtschlamm ausgeführt werden, sowie als Batch-Verfahren (SBR), als Wirbelbettverfahren (mit Aufwuchskörpern), als Festbettverfahren, als Membranbiologie (MBR), oder als weitere Biofilmsysteme, wie z.B. mit granuliertem Belebtschlamm. Bei der Membranbiologie wird üblicherweise eine Ultrafiltrationsmembran eingesetzt (siehe weiter oben). Dadurch können höhere Belebtschlammkonzentrationen erreicht werden als bei den konventionellen biologischen Verfahren, was zu geringeren Beckenvolumina führt bei gleichzeitig erhöhtem Energieverbrauch (u.a. zur periodischen Rückspülung der Membran). Alle genannten Verfahren müssen aktiv belüftet werden (Sauerstoffzufuhr für biologische Prozesse), was einen Grossteil des Energieverbrauchs ausmacht.

Es ist bekannt, dass bei den biologischen Verfahren eine Breitbandwirkung bezüglich organischer Spurenstoffe limitiert ist (auch bei deutlich aufwändigeren Varianten[1]), z.B. Schlammalter > 25 Tage, hydraulische Verweilzeiten von über einem Tag, wie auch anaerobe Bandhandlungsstufen, siehe weiter unten). Es ist aber durchaus möglich, Einzelstoffe – wie beispielsweise Diuron und Diclofenac – bei einer entsprechenden Adaption der Biologie weitgehend zu eliminieren[2].

[1] P. Falås, A. Wick, S. Castronovo, J. Habermacher, T. Ternes, A. Joss (2016): Tracing the limits of organic micropollutant removal in biological wastewater treatment. Water Research, 95, 240–249.

[2] Ebd.

Die anaerobe Abwasserbehandlung (d.h. ohne Vorhandensein von Sauerstoff oder Nitrat) wird insbesondere bei hoch konzentrierten Abwässern (> 2000 mg CSB/L) eingesetzt. Die organischen Stoffe werden dabei vorwiegend in Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt, und nur ein kleiner Teil wird für das Wachstum der Mikroorganismen benötigt. Grundsätzlich wachsen anaerobe Bakterien deutlich langsamer als aerobe Bakterien. Dadurch fällt praktisch kein Schlamm an; es besteht gar die Gefahr, dass der Schlammverlust über den Ablauf höher ist als die Wachstumsrate der Mikroorgansimen. Daher ist ein spezielles Augenmerk auf die Schlamm-Abscheidetechnik zu legen. Ebenfalls ist zu berücksichtigen, dass der Anaerobreaktor schnell Versäuern kann, wenn die Prozessführung zu wenig stabil ist. Fällt der pH zu stark in den sauren Bereich, kann es innerhalb weniger Stunden passieren, dass die Mikroorganismen, welche die Säure abbauen, irreversibel gehemmt werden. Das anaerob vorbehandelte Abwasser muss vor der Einleitung in die Kanalisation nachbelüftet werden, um Betriebsprobleme auf der kommunalen Kläranlage zu verhindern, insbesondere wenn die kommunale Kläranlage verhältnismässig klein ist. Die anaeroben Verfahren sind weit verbreitet zur Behandlung von Betriebsabwässern.