KIM - Kompetenzzentrum industrieller Membranen

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"KIM" stands for "research focus industrial membranes". The project was carried out by STENUM research company and consultancy for preventive industrial environmental protection and sustainable development, the Institute for Chemical Engineering of Leoben University of Technology and the Institute for Chemical Engineering of Graz University of Technology. Goal of the project was to identify areas of application for industrial membranes in Styrian companies to close water cycles to reuse industrial waste water.

Transcript of KIM - Kompetenzzentrum industrieller Membranen

  • KIM Kompetenzzentrum

    industrielle Membranen

    Endbericht

    Ein Projekt des steirischen Zukunftsfonds

    STENUM GmbH Geidorfgrtel 21

    8010 Graz www.stenum.at

  • KIM Endbericht

    STENUM GmbH Montanuniversitt Leoben Technische Universitt Graz

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    Projektbearbeitung

    Dr. Johannes Fresner DI Christian Angerbauer

    STENUM GmbH Geidorfgrtel 21

    A-8010 Graz www.stenum.at

    Prof. Dr. Josef Draxler Manuela Zeleznik

    Institut fr Verfahrenstechnik Montanuniversitt Leoben

    Prof. Dr. Hans Schnitzer DI Gernot Gwehenberger

    DI Mikko Planasch Institut fr Ressourcenschonende und Nachhaltige Systeme

    Technische Universitt Graz

    Dr. Andreas Ler MinerWa Umwelttechnik GmbH

    Gmunden

    Graz/Leoben/Gmunden

    Oktober 2005

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    Seite 3

    1 Zusammenfassung KIM steht fr Kompetenzzentrum industrielle Membranen. Dieses Projekt wurde von der STENUM GmbH Forschungsgesellschaft und Unternehmensberatung fr Fragen des vorsorgenden Umweltschutzes und der nachhaltigen Entwicklung, dem Institut fr Verfahrenstechnik der Montanuniversitt Leoben und dem Institut fr Verfahrenstechnik der TU Graz durchgefhrt. Ziel ist es, Anwendungsbereiche fr industriell einsetzbare Membranen in steirischen Betrieben anzugeben und den Einsatz von Membrantechnologien zum Schlieen von Wasserkreislufen zur Wiederverwendung von industriellem Abwasser vorzubereiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunchst die relevante Literatur analysiert, dann mit Laboranlagen die Eignung von ausgewhlten Abwssern (Splwsser aus oberflchenbehandelnden Betrieben und Lebensmittelbetrieben, Altlaugen aus der Lebensmittelindustrie, Produkte der Lebensmittelindustrie) zur Reinigung mit ausgesuchten Membranen durch Ultrafiltration und Nanofiltration untersucht und schlielich fr einige ausgewhlte Flle Pilotanwendungen im greren Mastab ber lngere Zeit durchgefhrt.

    Die Ergebnisse zeigen, dass es heute mit den angegebenen Verfahren mglich ist, in verschiedenen Branchen Wasserkreislufe zu schlieen. So knnen in der Oberflchentechnik und in der lebensmittelverarbeitenden Industrie Splwsser, Altsuren und Altlaugen wieder aufbereitet und in den jeweiligen Prozessen rckgefhrt werden. Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich durch den Ersatz konventioneller Filtermedien durch Ultra- und Nanofiltration. Probleme, die in der Vergangenheit den Einsatz dieser Verfahren behindert haben, lassen sich heute durch Apparateauswahl, Verfahrensfhrung und geeignete Reinigungsmethoden beheben.

    Der Markt fr diese Verfahren in Slowenien, Ungarn und Kroatien wurde gemeinsam mit den Auenhandelsdelegationen abgeschtzt. Er liegt in der Grenordnung von 10 Millionen Euro und rechtfertigt damit ein weiteres Engagement. Fr die Zukunft werden in der Steiermark Kooperationspartner gesucht, die das Potenzial zum Einsatz industrieller Membranen nutzen wollen.

    Wir bedanken uns bei der Steirischen Landesregierung fr die Untersttzung des Projektes aus den Mitteln des Steirischen Zukunftsfonds und bei Dr. Kellermann und Mag. Nagl fr die Hilfe whrend der Antragstellung.

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    2 Abstract KIM stands for research focus industrial membranes. The project was carried out by STENUM research company and consultancy for preventive industrial environmental protection and sustainable development, the Institute for Chemical Engineering of Leoben University of Technology and the Institute for Chemical Engineering of Graz University of Technology. Goal of the project was to identify areas of application for industrial membranes in Styrian companies to close water cycles to reuse industrial waste water. The project included literature research, identification of focus areas, laboratory tests with selected waste water in membrane test plants (rinsing water from surface treatment processes and food processing companies, spent caustics and products of food companies) and pilot test runs for special promising waste water streams over longer periods with ultrafiltration and nano filtration plants.

    The results showed, that it is currently possible, to close industrial water cycles in some sectors. In surface treating industries and food processing industries rinsing water, spent acids and spent caustics can be treated and recycled to the respective processes. Further areas for application can be found by substituting conventional filter media by ultra- or nanofiltration. Problems, which formed barriers to the implementation of these technologies in the past, today can be overcome by the proper selection of apparatus, process optimisation and proper cleaning methods.

    The market for these membrane processes was estimated as of 10 million Euro in Slovenia, Hungary, and Croatia together with the Austrian business delegations in these countries. For the future cooperation partners are looked for in Styria to exploint this potenzial.

    We gratefully acknowledge the support of the government of Styria using funds of the Styrian future funds, and appreciate the input and the assistance of Mag. Nagl and Dr. Kellermann during the phase of application.

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    Inhaltsverzeichnis

    1 Zusammenfassung.........................................................................................................................3

    2 Abstract .........................................................................................................................................4

    3 Aufgabenstellung von KIM............................................................................................................8

    4 Grundstzliches ber Membranverfahren ....................................................................................10

    4.1 Funktionsweise von Membranen ........................................................................................10

    4.2 Klassifikation von Membranen ............................................................................................13

    4.3 Neue Entwicklungen ...........................................................................................................17

    4.4 Probleme mit dem Einsatz von Membranen zum Wasserkreislaufschlieen .........................18

    4.4.1 Membranschdigung ..............................................................................................18 4.4.2 Membranverblockung .............................................................................................18 4.4.3 Membranreinigung .................................................................................................19

    4.5 Fragestellungen in KIM.......................................................................................................19

    5 Ergebnisse der Literaturrecherche ................................................................................................23

    5.1 Ziel und Umfang der Literaturrecherche..............................................................................23

    5.2 Lebensmittelindustrie im berblick......................................................................................23

    5.2.1 Einleitung ................................................................................................................23 5.2.2 Behandlung und Aufbereitung von Prozess- bzw. Abwssern..................................24 5.2.3 Aufbereitung von Reinigungs- und Prozesschemikalien ...........................................25

    5.3 Getrnkeindustrie ...............................................................................................................26

    5.3.1 Einleitung ................................................................................................................26 5.3.2 Wasserrecycling und Laugenaufbereitung bei der Flaschenreinigung.......................26 5.3.3 Aufbereitung von CIP-Chemikalien .........................................................................29 5.3.4 Beispiel: Splwassermanagement bei Fruchtsaftkonzentrat-Lagertanks....................30 5.3.5 Beispiel: Behandlung von Abwasser aus einer Fruchtsaftproduktionsanlage .............30 5.3.6 Beispiel: Behandlung von Abwasser aus Brauereien .................................................31

    5.4 Milchverarbeitung...............................................................................................................32

    5.4.1 Einleitung ................................................................................................................32 5.4.2 Molkebehandlung ...................................................................................................33 5.4.3 Behandlung von Dampfkondensat ..........................................................................35 5.4.4 Produkt-Rckgewinnung aus Splwasser ................................................................35 5.4.5 Behandlung von verdnnter Magermilch.................................................................35

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    5.5 Fleischverarbeitung .............................................................................................................36

    5.5.1 Einleitung ................................................................................................................36 5.5.2 Recycling von Khlduschenabwasser.......................................................................36 5.5.3 Beispiel: Behandlung von Abwasser aus einem Betrieb zur

    Verarbeitung von Hhnerfleisch ..............................................................................37

    5.6 Obst- und Gemseverarbeitung..........................................................................................38

    5.6.1 Einleitung ................................................................................................................38 5.6.2 Prozesswasseraufbereitung......................................................................................38 5.6.3 Aufbereitung von Salatwaschwasser........................................................................38 5.6.4 Kreislauffhrung von Obstwaschwasser ..................................................................39 5.6.5 Aufbereitung von Waschwasser aus der Zitrusfruchtverarbeitung............................40 5.6.6 Behandlung von Abwssern aus der Kartoffel- und Weizenverarbeitung .................40 5.6.7 Rckgewinnung von Aromastoffen aus Abwssern .................................................40

    5.7 Sektorspezifische Studien in der Lebensmittelindustrie ........................................................42

    5.7.1 Behandlung von Abwasser aus der Lebensmittelindustrie in Malaysia ......................42 5.7.2 Behandlung von Abwasser aus der Lebensmittelindustrie in England .......................42

    5.8 Weitere Beispiele aus der Lebensmittelindustrie ..................................................................43

    5.8.1 Behandlung von Abwasser aus einem Unternehmen zur Erzeugung von Tiefkhlgerichten ....................................................................................................43

    5.8.2 Aufbereitung von Abwasser aus einer Kartoffelstrkefabrik .....................................43 5.8.3 Behandlung von Abwasser aus einer Destillerie .......................................................43 5.8.4 Behandlung von Salzlaken.......................................................................................44

    5.9 Der Einsatz von Membranen in der metallver- und -bearbeitenden Industrie.......................45

    5.9.1 Einleitung ................................................................................................................45 5.9.2 Einsatz von Membranen zur Badpflege....................................................................46 5.9.3 Einsatz von Membranen zur Badentsorgung............................................................50 5.9.4 Behandlung von Splwasser ....................................................................................51 5.9.5 Rckgewinnung von Metallen aus Abwssern.........................................................54 5.9.6 Abwasserbehandlung ..............................................................................................60

    6 Abgeleitete Schwerpunktsetzungen.............................................................................................62

    7 Ergebnisse der Ultrafiltrations-Laborversuche .............................................................................63

    7.1 Einleitung............................................................................................................................63

    7.2 Auswahl der Proben............................................................................................................63

    7.3 CSB-Analyse .......................................................................................................................65

    7.4 Versuchsanlage...................................................................................................................65

    7.5 Versuchsdurchfhrung........................................................................................................66

    7.6 Versuchsergebnisse und Interpretation................................................................................68

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    7.6.1 Einleitung ................................................................................................................68 7.6.2 Allgemeingltige Beobachtungen ............................................................................68 7.6.3 Probe 1: Flaschenwaschlauge aus der Brauerei Puntigam ........................................69 7.6.4 Probe 2: Flaschenwaschlauge aus der Brauerei Murau.............................................70 7.6.5 Probe 3: Phosphatierbad aus der Johann Pengg AG ................................................71 7.6.6 Probe 4: Entfettungsbad aus der Mosdorfer Verzinkerei GmbH...............................72 7.6.7 Probe 5: Entfettungsbad aus der Austria Email AG ..................................................73 7.6.8 Probe 6: Teilewaschwasser aus der Magna Steyr Fahrzeugtechnik AG & Co KG.....74 7.6.9 Probe 7: Entfettungsbad aus der Magna Steyr Fahrzeugtechnik AG & Co KG.........75 7.6.10 Probe 8: Teilewaschwasser aus der Fischer Georg GmbH & Co KG..........................76

    7.7 Diskussion der Ergebnisse ...................................................................................................77

    7.7.1 Eignung der Verfahren ............................................................................................77 8 Nanofiltrationsversuche...............................................................................................................78

    9 Modellierung druckgetriebener Membranverfahren.....................................................................84

    10 Verschmutzung und Reinigung von Membranen.........................................................................98

    10.1 Verschmutzungsmechanismen ............................................................................................98

    10.2 Rcksplen und Reinigen....................................................................................................99

    10.3 Fouling und Vorbehandlung .............................................................................................100

    10.4 Anlagendesign zur Vermeidung von Verschmutzung ........................................................101

    10.5 Fallbeispiel erfolgreiche Membranreinigung in der BB-Zentralwerksttte in Knittelfeld....106

    11 Standfestigkeit von Membranen bei extremen pH-Werten ........................................................107

    11.1 Ergebnisse der Literaturrecherche ber den Einsatz von Membranen

    in extrem sauren und basischen Medien ...........................................................................107

    11.2 Eigene Versuche zur Bestimmung der Standfestigkeit von Polysulfonethermembranen .....110

    12 Langzeitversuche an reprsentativen potentiellen Anwendungen..............................................114

    12.1 Auswahl von reprsentativen Anwendungen fr Pilotversuche .........................................114

    12.2 Versuche zur Regenerierung der Lauge der Flaschenwaschanlage einer Brauerei...............114

    12.3 Versuche zur Bierfiltration .................................................................................................122

    13 Aufbau eines Membranprfstandes ...........................................................................................126

    14 Potentielle Anwendungen von Membranverfahren in Kroatien, Ungarn, und Slowenien...........128

    15 Ausblick, weitere Arbeiten.........................................................................................................129

    16 Literatur.....................................................................................................................................130

    17 Abbildungsverzeichnis...............................................................................................................135

    18 Tabellenverzeichnis ...................................................................................................................136

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    3 Aufgabenstellung von KIM Die Membrantechnologie ist eine relativ junge Disziplin der Verfahrenstechnik. Die ersten erfolgreichen industriellen Anwendungen sind in den spten 50er Jahren im Bereich der Meerwasserentsalzung entstanden. In vielen Bereichen der Industrie/des Gewerbes und in der Abwasserbehandlung sind Membranprozesse heute nicht mehr wegzudenken. In der Chemie, der Pharmaindustrie, der Biotechnologie, der Getrnke- und Lebensmittelindustrie und in der Umwelttechnik werden diese Trennprozesse bereits seit mehr als 20 Jahren erfolgreich eingesetzt. Dies umfasst Wasseraufbereitung, Trinkwassergewinnung aus Meerwasser, die Behandlung von Abwasser, verschiedene Trennprozesse bei der Aufarbeitung und Reinigung von unterschiedlichen natrlichen und synthetischen Produkten.

    Bezglich des Einsatzes im technischen Umweltschutz haben sich in den letzten 10 Jahren die Aufgabenstellungen stark gewandelt. Standen nach den ersten Umweltschutzgesetzen vor nunmehr 30 Jahren fast ausschlielich sogenannte End-of-Pipe-Verfahren im Mittelpunkt des Interesses, was den Einsatz in der Abwasserbehandlung betrifft, so sind heute vorwiegend sogenannte produktionsintegrierte Verfahrenskonzepte die angestrebten Lsungen. STENUM hat in den letzten Jahren konsequent an Methoden gearbeitet, Abflle und Emissionen aus der industriellen Produktion an der Wurzel zu vermeiden und Kreislufe zu schlieen. In einigen Anwendungen konnten Reduktionen des Wassereinsatzes um den Faktor 10 erreicht werden (fr konkrete Referenzprojekte siehe www.stenum.at, bzw. www.zermeg.net). Eine weitere Reduktion verlangt nach weiterfhrenden technischen Konzepten:

    Dies bedeutet z. B. den Einsatz von Membranen in industriellen Prozessen, um innerbetrieblich Wasserstrme so aufzubereiten, dass Strstoffe selektiv entfernt werden und das Wasser wieder im Verfahren nutzbar wird.

    Damit knnte man die Funktion vom industriellen Membranverfahren mit der Funktion von knstlichen Nieren vergleichen. Dabei werden Membranen mit definierten Poren im Durchmesserbereich von Mikrometer bis Nanometer verwendet, um vergleichbar einer Filtration feine und feinste Teilchen aus wssrigen Medien abzuscheiden und so entweder die Teilchen zu gewinnen oder die Wasserstrme zu reinigen. Mittels Membranen knnen physikalisch Partikel, Bakterien, l und andere Stoffe aus Flssigkeiten, wie Wasser, Sure, Laugen, organischen Lsungen entfernt werden.

    Das ist notwendig, da mit der Schlieung von Kreislufen eine Vielzahl von praktischen Problemen bestehen, die aus der Anreicherung von Salzen oder anderen nicht flchtigen Substanzen in den Kreislufen entstehen. Ein anderes wichtiges Problem entsteht durch die biologische Aktivitt in geschlossenen Systemen, entstehende Mikroorganismen knnen durch Membranen verlsslich vom Prozesswasser abgetrennt werden. Durch den Einsatz von Membranen kann man den Energieaufwand zum Prozesswasserrecycling gegenber dem Einsatz von Verdampfersystemen deutlich reduzieren.

    In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Membranverfahren zur Reinigung von Wasser entwickelt. In speziellen Einsatzbereichen, wie zB in der Pharmaindustrie, konnten sehr positive Erfahrungen gesammelt werden. In der Steiermark werden Membrananlagen heute bereits in Pharmabetrieben zur Regeneration der Waschlauge und zur Aufbereitung von Waschwasser, in einem Automobilwerk zur Wasserenthrtung und entsalzung, zur Regeneration von Entfettungsbdern und zur Regeneration von Elektrotauchlackierbdern, in einem Getrnkeindustriebetrieb zur Entkeimung von Bier, in Maschinenbaubetrieben zur Aufbereitung von emulsionshltigem Abwasser und zur Regeneration von Entfettungsbdern und in verschiedenen anderen Branchen zur Wasserenthrtung und entsalzung erfolgreich betrieben. In vielen Einsatzbereichen, zB in der Lebensmittelindustrie oder in der Metallverarbeitungsindustrie,

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    waren die Erfahrungen im Dauerbetrieb schlecht, was teilweise sogar zur Stilllegung einiger Anlagen fhrte.

    Aus der Analyse der bekannten Probleme heraus entstand dieses Projekt als Ansatz eines Neubeginns. Durch systematische Versuche in verschiedenen Branchen mit geeigneten Prozesswssern wird systematisch das notwendige Know-how gesammelt, um in Zukunft aussichtsreiche Anwendungsflle fr Membranen zur Kreislaufschlieung und zur Wiedergewinnung von Wertstoffen eindeutig identifizieren zu knnen, gesicherte Auslegungsdaten fr diese Anwendungsflle zu haben, die breite Markteinfhrung von Membranen vorzubereiten, um so neue Geschftsfelder fr steirische Anlagenbaubetriebe zu entwickeln, tatschlich industrielle Wasserkreislufe weitestgehend zu schlieen und insgesamt den Einsatz der Ressource Wasser zu minimieren.

    Im ersten Schritt wurden im Rahmen von KIM durch Literaturrecherchen der Stand des Wissens ber den industriellen Einsatz von Membranen, besonders Erfahrungen aus Pilotanlagen und in erfolgreichen lnger betriebenen Installationen ausgearbeitet.

    Dann wurden typische Betriebe aus der lebensmittel- und metallverarbeitenden Industrie ausgewhlt und detailliert bezglich der Wasser- und Abwasserstrme beschrieben. Die Beschreibung umfasste die eingesetzten Wassermengen und qualitten sowie den Abwasseranfall und die Inhaltsstoffe zugleich mit einer Charakterisierung des zeitlichen Anfalles und sonstiger fr die angestrebten Kreislaufschlieungen relevanten Rahmenbedingungen.

    Aus den ausgewhlten Betrieben wurden Proben besonders relevanter Wasserstrme aus dem tatschlichen Prozessablauf entnommen, dies umfasst insbesondere Entfettungsbder, Beizenreinigungsabwsser, spezielle Wirkbder und Splwsser. Diese Wsser wurden dann ber Membranen zunchst in einer Laboranlage, dann in einer Pilotanlage gereinigt, wobei die Parameter Durchsatzdruckverlust, Temperaturanstieg und Rckhaltevermgen aufgezeichnet werden. Mittels dieser Parameter wurde die Eignung der eingesetzten Membranen untersucht und mit konkurrenzierenden Verfahren verglichen.

    Aus diesen Ergebnissen wurde eine Marktstudie erarbeitet, die das Potenzial zum Einsatz von verschiedenen Membranen in der Industrie in der Steiermark beschreibt und als Grundlage fr die weiteren Aktivitten steirischer Anlagenbauer dient. So soll in der Steiermark das Know-how aufgebaut werden, um mittelfristig Membranverfahren als knstliche Nieren in industriellen Prozessen einsetzen zu knnen und so ein wesentliches Element zur Wasserkreislaufschlieung zu entwickeln.

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    4 Grundstzliches ber Membranverfahren

    4.1 Funktionsweise von Membranen

    Membranen (lat. membrana = Hutchen) knnen als selektive Barrieren zwischen zwei Phasen unterschiedlicher Konzentration aufgefasst werden. Es handelt sich um natrlich oder knstlich hergestellte flchige Gebilde, die fluide Phasen oder zwei Volumina einer Phase mit unterschiedlicher Zusammensetzung voneinander zu trennen imstande sind und deren besondere Fhigkeit darin besteht, den Stoffaustausch zwischen ihnen zu ermglichen.

    Membranen trennen zwei nicht mischbare Flssigkeiten oder eine flssige und eine gasfrmige Phase in gleicher Weise wie Phasengrenzflchen voneinander. Sie unterscheiden sich aber von Grenzflchen dadurch, dass sie aus anderen Stoffen als die beteiligten Phasen aufgebaut sind und fest oder flssig sein knnen.

    Im weitesten Sinne stellen Membranen eine Art Filter dar und wie bei der gewhnlichen Filtration erfolgt die Trennung dadurch, dass mindestens eine Komponente des zu trennenden Gemisches die Membran nahezu ungehindert passieren kann, whrend andere Komponenten mehr oder weniger stark zurckgehalten werden.

    Das Einsatzgemisch, auch als Feedstrom bezeichnet, wird in zwei Produktstrme aufgetrennt: das die Membran durchdringende Permeat oder Filtrat und das von der Membran zurckgehaltene Retentat oder Konzentrat.

    Ein gemeinsames Merkmal aller Membranverfahren ist die membranparallele berstrmung mit der Feedlsung (dynamischer Betrieb, Querstrom- oder Cross-Flow-Filtration). Dabei lagern sich zwar in der Regel Partikel als Deckschicht auf der Membran ab, die Deckschichtbildung wird durch die Membranberstrmung allerdings kontrolliert. Im Gegensatz dazu wird die Membran bei der normalen Filtration orthogonal von der Suspension durchstrmt (statischer Betrieb, Dead-End-Filtration), wobei sich alle zurckgehaltenen Partikel auf der Membran ablagern und somit einen zeitlich anwachsenden Filterkuchen bilden. Als weiteres Charakteristikum von Membranverfahren ist die rein physikalische Trennung anzufhren. Die zu trennenden Komponenten werden weder thermisch, noch chemisch oder biologisch verndert und knnen daher prinzipiell zurck gewonnen und wieder verwendet werden.

    Membranverfahren lassen sich hinsichtlich des Aggregatzustandes von Einsatzgemisch und Permeat, der Triebkraft und des Membrantyps unterscheiden (Tabelle 1).

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    Tabelle 1: gebruchliche Membranprozesse

    Membranprozess Phasen Triebkraft Membrantyp

    Umkehrosmose fl / fl Druckdifferenz

    bis 200 bar asymmetrisch, dicht

    Nanofiltration fl / fl Druckdifferenz

    bis 60 bar asymmetrisch, dicht

    Ultra-, Mikrofiltration

    fl / fl Druckdifferenz

    bis 10 bar asymmetrisch, pors

    Dialyse fl /fl Konzentrationsdifferenz symmetrisch, pors

    Elektrodialyse fl / fl elektrisches Feld symmetrisch, pors

    Pervaporation fl / g Druckdifferenz (permeatseitiger Unterdruck)

    asymmetrisch, dicht

    Dampfpermeation g / g Druckdifferenz (permeatseitiger Unterdruck)

    asymmetrisch, dicht

    Gaspermeation g / g

    Druckdifferenz (permeatseitiger Unterdruck oder feedseitiger berdruck)

    asymmetrisch, dicht

    Ein wesentliches Einteilungskriterium fr Membranen ist die Art des Stofftransportes. Dieser kann prinzipiell konvektiv oder durch Diffusion erfolgen. Innerhalb von Porenmembranen (porsen Membranen) wird der Stofftransport hauptschlich durch Konvektion bestimmt. Fr die Trenneigenschaften porser Membranen sind die Porengre, die Porenstruktur und die Porengrenverteilung ausschlaggebend. In idealen Lsungs-Diffusions-Membranen (nichtporsen oder dichten Membranen) erfolgt der Stofftransport allein durch Diffusion. Der Trennmechanismus beruht dabei auf den unterschiedlichen Lslichkeiten der im aufzutrennenden System gelsten Komponenten in der Membran und der unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeit der Stoffe beim Transport durch die Membran. Zwei Membraneigenschaften sind fr die Wirtschaftlichkeit der Trennprozesse von zentraler Bedeutung: die Selektivitt der Membran, also ihre Fhigkeit, zwischen den Komponenten einer

    Mischung zu unterscheiden, und die Leistungsfhigkeit der Membran, das heit der zu erzielende Permeatfluss unter

    bestimmten Betriebsbedingungen.

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    Whrend eine geringe Leistung in vielen Fllen relativ leicht durch ein Mehr an Membranflche ausgeglichen werden kann, macht eine geringe Selektivitt mehrstufige Prozesse erforderlich, die gegenber Alternativverfahren meist nicht konkurrenzfhig sind. Grundstzlich zeichnen sich Membranverfahren gegenber anderen Trennverfahren durch nachfolgend angefhrte Vorteile aus: geringer Energiebedarf, da die Trennung ohne Phasennderung erfolgt gute Eignung fr thermisch empfindliche oder flchtige Produkte, da die Trennung bei relativ

    tiefen Temperaturen durchgefhrt werden kann

    einfacher apparativer Aufbau geringer Raumbedarf durch flexible Modulbauweise in viele Prozesse integrierbar hohe Betriebssicherheit hohe Selektivitt hinsichtlich gelster Komponenten hohe Verfgbarkeit einfache Bedienbarkeit im Betrieb kontinuierliche Betriebsweise, da keine Akkumulation stattfindet und daher keine

    Regenerationszyklen erforderlich sind

    Chemikalienzugabe nicht oder nur in geringen Mengen erforderlich Membrananlagen haben folgende Nachteile: hohe Membrankosten vergleichsweise langsamer Trennprozess, wodurch hohe Investitionskosten zur Erzielung

    groer Leistungen erforderlich sind

    groe Empfindlichkeit gegenber bestimmten Inhaltsstoffen, was zu schwer kontrollierbaren Verschmutzungen der Membranoberflchen fhren kann

    keine Standardisierung mglich (bei neuen Aufgabenstellungen sind praktische Untersuchungen im Labor- und halbtechnischen Mastab erforderlich)

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    4.2 Klassifikation von Membranen Das Angebot an selektiven und bestndigen Membranmaterialien ist gro. Speziell in den letzten Jahrzehnten wurden groe Fortschritte in der Entwicklung immer dnnerer und bestndigerer Membranen gemacht und diese Entwicklung hlt nach wie vor an. Im Idealfall sollten Membranwerkstoffe fr eine effektive Trennung ber folgende Eigenschaften verfgen: chemische Bestndigkeit (gegenber der Einsatzlsung und Reinigungschemikalien) mechanische Bestndigkeit thermische Bestndigkeit hohe Permeabilitt hohe Selektivitt einfache Reinigungsmglichkeit niedriger Preis

    Diese Parameter sind zum Teil widersprchlich und lassen sich aus diesem Grund nicht alle in einem Membranwerkstoff vereinen. Je nach Problemstellung kommt daher bestimmten Eigenschaften eine grere Bedeutung zu als anderen. Eine Klassifizierung von Membranen ist hinsichtlich Herkunft, Werkstoff und Struktur mglich. Biologische Membranen sind fr jegliches irdische Leben unverzichtbar, da smtliche Stoffaustauschvorgnge zwischen Zellen und deren Umgebungen ber Zellmembranen ablaufen. Sie unterscheiden sich jedoch sowohl hinsichtlich Struktur und Funktionalitt, als auch hinsichtlich der Stofftransportmechanismen stark von den fr technische Zwecke einsetzbaren, synthetischen Membranen. Der grte Teil der in der Membrantechnik eingesetzten Membranen sttzt sich heute auf synthetische Polymermembranen, also auf Membranen aus organischen makromolekularen Verbindungen. Die Eigenschaften von organischen Membranen sowohl makroskopische wie thermische, chemische und mechanische Bestndigkeit, als auch mikroskopische wie zB die Permeabilitt fr bestimmte Komponenten werden von den Struktureigenschaften der Polymere bestimmt. Homogene Membranen sind aus einem Polymer (Unipolymer) oder aus einem thermodynamisch vertrglichen Gemisch zweier Polymere (Interpolymer) hergestellt. Im Gegensatz dazu sind heterogene Membranen zumindest zweiphasig und bestehen aus einem Gemisch miteinander nicht mischbarer Polymere oder aus mehreren Schichten unterschiedlicher Polymere (Composite Membranen).

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    Zu den anorganischen Membranen zhlen Edelstahl-, Glas-, Kohlenstoff- und Keramikmembranen. Sie gewinnen zunehmend an Bedeutung und zeichnen sich gegenber organischen Materialien vor allem durch folgende Vorteile aus: hohe Temperaturbestndigkeit hohe chemische Bestndigkeit lange Lebensdauer (Standzeit) rcksplbar einstellbare Trenneigenschaften

    Nachteile sind: sprde Werkstoffeigenschaften hohe Investitionskosten problematische Abdichtung geringere Packungsdichte

    Es werden heute auch bereits flexible keramische Membranfolien angeboten, welche die Vorteile von starren keramischen Membranen mit jenen von hoch duktilen Polymermembranen verbinden. Zu beachten ist, dass nicht jeder Membranwerkstoff fr jeden Membranprozess verfgbar ist. Umkehrosmosemembranen sind zurzeit beispielsweise durchwegs aus Polymeren hergestellt, wohingegen Glas fast ausschlielich fr Ultrafiltrationsprozesse verwendet wird. Die Bezeichnungen pors und nichtpors beziehen sich auf die Gre der ffnungen in den Oberflchen von Membranen. Die Porendurchmesser porser Membranen sind grer oder gleich 2 nm, wohingegen jene von unporsen oder dichten Membranen kleiner als 2 nm sind. Von der Querschnittsstruktur her kann eine Membran symmetrisch oder asymmetrisch sein, also mit ber die Membrandicke gleichen oder vernderlichen Eigenschaften. Asymmetrische Membranen bestehen aus einer dnnen, dichten Haut (aktive Schicht) und einer darunter liegenden porsen Sttzschicht. Whrend die aktive Schicht als die eigentliche selektive Barriere fr den Stofftransport die Trennleistung der Membran bestimmt, dient die Sttzschicht nur als Trger der aktiven Schicht und beeinflusst das Trennverhalten nicht. Weiters wird zwischen geladenen (ionischen) und ungeladenen (nichtionischen) Membranen unterschieden. Erstere werden aus Polymeren mit ionischen Gruppen hergestellt. Eine spezielle Art von Membranen stellen Flssigmembranen dar. Dabei handelt es sich um dnne flssige Filme, die ebenso wie feste Membranen permselektive Eigenschaften besitzen. Grundstzlich gibt es zwei verschiedene Typen von Flssigmembranen, nmlich trgergebundene Flssigmembranen und multiple Emulsions-Flssigmembranen. Bei ersteren fllt die Flssigkeit die Poren einer geeigneten mikroporsen Membran aus und ist daher in der festen Membranstruktur immobilisiert, was ihre Handhabung vereinfacht. Nachteilig sind eine relativ kleine spezifische Membranflche und ein permanenter geringer Verlust an Membranmaterial aufgrund einer Restlslichkeit in der zu trennenden flssigen Phase. Bei multiplen Flssigmembranen umhllt die

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    flssige Membran ungleichmige Tropfen einer Emulsion. Vorteilhaft dabei ist eine groe spezifische Membranflche, allerdings bereitet die Erreichung stabiler Emulsion und die abschlieend erforderliche Emulsionstrennung Schwierigkeiten. Die Entwicklung neuer Membranmaterialien mit herausragenden Eigenschaften hinsichtlich Permeabilitt und chemischer, thermischer und biologischer Bestndigkeit ist voll im Gange. Von besonderem Interesse ist eine Resistenz von Membranwerkstoffen gegenber Fouling, was die Entwicklung von Membranen mit geringer Affinitt zu bereits identifizierten deckschichtbildenden Komponenten im Zulaufstrom erfordert. Generell wird Fouling eher durch negativ geladene Stoffe verursacht, daher sind in vielen Fllen Membranen mit negativen Ladungen zweckmig. Die Anwendung von Membranen zur Behandlung industrieller Abwsser ist vielfach durch eine geringe Resistenz gegenber extremen Bedingungen in Bezug auf den pH-Wert und den Gehalt an organischen Lsungsmitteln stark eingeschrnkt, weshalb auch auf diesem Gebiet intensiv geforscht wird. Generell wird permanent nach Mglichkeiten gesucht, die Membranmaterial- und -herstellkosten ganz besonders jene von keramischen Materialien zu reduzieren und damit die Wettbewerbsfhigkeit von Membranverfahren zu erhhen. Der Modul ist die technische Anordnung von Membranen und bildet das Kernstck jeder Membrananlage. Folgende Anforderungen werden im Wesentlichen an Membranmodule gestellt: gleichmige berstrmung der Membranen ohne Todwasserzonen hohe Turbulenz auf der Feedseite zur Untersttzung des Massentransfers und zur

    Verminderung der Deckschichtbildung

    mechanische, thermische und chemische Bestndigkeit groe Packungsdichte (= Verhltnis der Membranflche zum umbauten Raum) gute Reinigungsmglichkeit kostengnstige Herstellung geringe Verblockungsneigung Mglichkeit eines einfachen und kostengnstigen Membranwechsels Design, welches einen modularen Aufbau ermglicht

    Je nach Einsatzzweck kann man aus einer Reihe vllig unterschiedlich konzipierter Modultypen auswhlen, welche sich sieht man von Einzelheiten ab auf zwei Bauklassen und 6 Bauarten zurckfhren lassen: Zu den Schlauchmembranen zhlen Rohr-, Kapillar- und Hohlfasermodul, zu den Flachmembranen Platten-, Wickel- und Kissenmodul (Tabelle 2 und Tabelle 3).

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    Tabelle 2: Module mit Schlauchmembran

    Rohrmodul Kapillarmodul Hohlfasermodul

    Membran mechanisch abgesttzt

    selbsttragend selbsttragend

    aktive Trennschicht innen innen innen oder auen

    von Zulauf durchstrmt durchstrmt durch- oder umstrmt

    Innendurchmesser 6-24 mm 500-600 m 40-500 m

    Auendurchmesser 7-25 mm 800-7000 m 80-800 m

    Packungsdichte < 80 m/m < 1000 m/m < 10000 m/m

    zulssiger Betriebsdruck

    80 bar innen 10 bar innen 15 bar innen,

    100 bar auen

    Vorteile

    o guter Stofftransport durch turbulente

    Strmung

    o unempfindlich gegen Verstopfung

    o geringer Druckverlust

    o hohe Druckstabilitt

    o kostengnstige Fertigung

    o hohe Packungsdichte

    o hohe Packungsdichte

    o niedrige spezifische Membrankosten

    o hohe Druckstabilitt bei Auendruck

    Nachteile

    o geringe Packungsdichte

    o schlechter Stoffaustausch durch

    meist laminare

    Strmung

    o geringe Druckstabilitt

    o empfindlich gegen Verstopfung

    o teilweise hoher Druckverlust

    Einsatzgebiete1 UO, UF, MF UF, MF, GP, DL, PV UO, GP

    1 UO: Umkehrosmose, UF: Ultrafiltration, MF: Mikrofiltration, GP: Gaspermeation, PV: Pervaporation, DL: Dialyse

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    Tabelle 3: Module mit Flachmembran

    Plattenmodul Wickelmodul Kissenmodul

    aktive Trennschicht - auen auen

    Verklebung nein ja ja

    Packungsdichte 100-400 m/m < 1000 m/m ca. 4000 m/m

    zulssiger Betriebsdruck

    80 bar 80 bar < 200 bar

    Vorteile

    o einzelne Membranen austauschbar

    o kaum verschmutzungsan-

    fllig

    o Membran muss nicht verklebbar sein

    o kostengnstige Fertigung

    o hohe Packungsdichte

    o guter Stoffaustausch

    o wenig Dichtungen

    o hohe Druckstabilitt

    o geringer Druckverlust permeatseitig

    o kaum verschmutzungsan-

    fllig

    Nachteile

    o viele Dichtungen

    o hoher Druckverlust

    o geringe Packungsdichte

    o schlechte Reinigungsmglichkeit

    o Membran muss verklebbar sein

    o geringe Packungsdichte

    o Membran muss verklebbar sein

    Einsatzgebiete UO, UF, ED, PV UO, NF, UF, GP UO, NF, UF, GP

    Die Auswahl der Module richtet sich nach der Dichte und der Viskositt des zu trennenden Gemisches, der fr den Trennprozess erforderlichen Strmung, die wiederum den Stoffbergang kontrolliert, weiters nach den Membran- und Modulwerkstoffen und deren Kosten sowie der Austauschbarkeit und Reinigungsmglichkeit der Module.

    4.3 Neue Entwicklungen In Bezug auf Membrangeometrien gab es in letzter Zeit keinerlei nennenswerte Neuerungen. Praktisch alle Membranelemente sind flach oder zylindrisch konfiguriert. Ein besonderes Augenmerk wird seit einiger Zeit auf die Entwicklung und Produktion kostengnstigerer Module gelegt, was prinzipiell durch die Verwendung alternativer Materialien oder ein weniger kompliziertes Design erreicht werden kann. Die Kombination von Belftung und getauchten Membranen in Membranbioreaktoren stellt eine relativ neue Entwicklung dar. Membranbioreaktoren sind ein Beispiel fr einen Hybridprozess, wobei in diesem Fall Belebungsverfahren und Membranfiltration kombiniert werden. Das hohe Foulingpotenzial des Schlamm-Wasser-Gemisches erfordert einen hohen Grad an Turbulenz an der Membranoberflche. Zahlreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass der Permeatfluss durch eine zweiphasige Luft-Wasser-Strmung entlang der Membranoberflche deutlich verbessert werden kann. Eine grobe Blasenbelftung ist also zur Erzielung eines ausreichenden Permeatflusses zweckmig.

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    Eine weitere Innovation sind Module mit mechanisch bewegten Membranen. Diese Module bestehen aus konventionell gestapelten, scheibenfrmigen Membranen, welche in Relation zur strmenden Einsatzflssigkeit bewegt werden. Der Durchsatz kann auf diese Weise signifikant erhht werden, allerdings haben diese Systeme einen relativ hohen Energieverbrauch und werden daher bislang nur fr die Rckgewinnung hochwertiger Komponenten aus Prozesswssern eingesetzt.

    4.4 Probleme mit dem Einsatz von Membranen zum Wasserkreislaufschlieen

    4.4.1 Membranschdigung Zu den membranschdigenden Substanzen zhlen Wasser, Suren und Laugen, organische Lsungsmittel, Bakterien, freies Chlor und freier Sauerstoff. Der Einfluss von Wasser ist weit weniger bedeutend als der von Suren und Laugen. Es gibt jedoch bereits Membranen, die auch im sehr sauren bzw. sehr basischen Bereich ausreichend lang stabil sind. Alle organischen Membranen sind gegenber organischen Lsungsmitteln empfindlich, wobei die Streinflsse stark konzentrationsabhngig sind. Der Angriff von Membranen durch Bakterien ist ebenfalls nur bei Naturstoffmembranen von Bedeutung, gegenber Chlor sind diese im Allgemeinen aber stabiler als anorganische Membranen. Durch die Anwesenheit von Ozon wird jede Membran innerhalb weniger Stunden zerstrt. 4.4.2 Membranverblockung Unter Fouling versteht man die Membranverblockung infolge von Verschmutzungen. Durch Ablagerung von eingeschleppten kolloidalen oder ungelsten organischen Stoffen auf der Membranoberflche bzw. in den Membranporen oder durch biologisches Wachstum (Biofouling) kommt es zu einer Deckschichtbildung. Diese sich whrend des Betriebes bildende Deckschicht kann vor allem bei UO-Anlagen zu erheblichen Problemen fhren, da sie fr die permeierenden Komponenten einen erheblichen zustzlichen Widerstand darstellt und eine drastische Absenkung des Permeatflusses zur Folge hat. Fouling kann generell nicht verhindert, sondern nur vermindert bzw. reguliert werden. Mehr oder weniger wirksame Manahmen, um Fouling entgegenzuwirken, sind eine entsprechende Vorbehandlung der Einsatzlsung durch Filtration oder Flotation und die Schaffung von turbulenten Strmungsbedingungen an der Membranoberflche, um die sich bildende Deckschicht dnn zu halten. Zur Verhinderung von biologischem Fouling mssen jene Wasserinhaltsstoffe, welche als Nhrstoffe fr Mikroorganismen dienen knnen, entfernt werden. Dies ist oftmals nur durch eine Konditionierung des Wassers mit Desinfektionsmitteln mglich. Scaling nennt man die Membranverblockung aufgrund von Kristallisation. Als Folge der selektiven Wirkung von Membranen tritt eine Aufkonzentrierung der Inhaltsstoffe an der Membran auf. Wird die Lslichkeitsgrenze von gelsten Komponenten infolge des Konzentrationsanstieges vor der Membran berschritten, fallen bzw. kristallisieren diese Inhaltsstoffe an der Membranoberflche aus und bilden eine Deckschicht. Die Schichten knnen sehr kompakt sein und den Permeatfluss auf bis zu 10 % des Ursprungswertes absenken.

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    Die Vermeidung von Scaling gelingt durch die Verschiebung des pH-Wertes und damit der Lslichkeitsgrenze und/oder der Dosierung von Anti-Scaling-Mitteln (Komplexbildner) bei der Vorbehandlung der Einsatzlsung.

    4.4.3 Membranreinigung Um einem Rckgang der Permeabilitt vorbeugend entgegenzuwirken bzw. die sich bildende Deckschicht zu entfernen und dadurch die Permeabilitt wieder zu erhhen, ist in bestimmten zeitlichen Abstnden eine Reinigung der Membranen erforderlich. Entsprechend der Verschiedenartigkeit der Ursachen fr Membranverschmutzungen sind die Reinigungsstrategien an die Abwasserzusammensetzung, die Betriebsweise und die eingesetzten Membranen und Membranmodule anzupassen. Dabei bestehen folgende Mglichkeiten der Membranreinigung: Splung: kurzzeitiger Betrieb der Membrananlage mit klarem Wasser ohne Umkehrung der

    Strmungsrichtung, um die Deckschicht abzuschwemmen und auszutragen

    Rcksplung: kurzzeitige Umkehrung der Strmungsrichtung zur Ablsung der Deckschicht Zwischenreinigung: in situ-Reinigung der Membranen mit bestimmten Chemikalien-

    lsungen

    Hauptreinigung: intensive Reinigung der Membranmodule in einem separaten Reinigungsbecken mit verschiedenen Chemikalienlsungen

    Die zeitlichen Abstnde zwischen den Reinigungsprozessen sind je nach Qualitt des Zulaufwassers und der Betriebsweise der Membrananlage festzulegen. Sie knnen zwischen wenigen Stunden und mehreren Monaten liegen [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12].

    4.5 Fragestellungen in KIM Industriebetriebe zeichnen fr ca. ein Viertel des gesamten Wasserverbrauchs verantwortlich. In kaum einer Industriebranche werden nicht tagtglich groe Mengen an Wasser bentigt. Obwohl einige Industriebetriebe das Wasser aus Flssen oder eigenen Brunnen beziehen, wird der Groteil aus dem ffentlichen Wasserversorgungsnetz entnommen und hat daher Trinkwasserqualitt. Fr viele industrielle Anwendungen wre eine dermaen hohe Wasserqualitt nicht notwendig, wohingegen fr andere eine weitere Behandlung zur Entfernung mineralischer und organischer Inhaltsstoffe erforderlich ist. Hinsichtlich der steigenden Frischwasserkosten erscheint es sinnvoll, ein besonderes Augenmerk auf Wasserquellen zu legen, welche Wasser entsprechend der fr den jeweiligen Prozess bentigten Qualitt bereitstellen. Dies kann durch die Aufbereitung des Abwassers in einer betriebsinternen Abwasserreinigungsanlage bis zur gewnschten Reinheit bewerkstelligt werden. Der damit verbundene reduzierte Frischwasserbedarf und geringere in die Kanalisation eingeleitete Abwassermengen bringen nicht nur einen finanziellen Vorteil, sondern sind auch in kologischer Hinsicht wnschenswert. Neben den bekannten physikalischen, chemischen und biologischen Verfahren gewannen Membranverfahren zum Teil in Kombination mit den genannten Verfahren in Form von

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    Hybridprozessen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung bei der industriellen Abwasserbehandlung. Das Einsatzgebiet fr Membrantrennverfahren hat sich in den letzten Jahren generell stark vergrert. Zu den bereits klassischen Einsatzbereichen zhlen die Gewinnung von Trink- und Brauchwasser aus Meer- und Brackwasser und die Herstellung von hochreinem Wasser aus Grund- und Oberflchenwasser. In jngerer Zeit haben sich Membranverfahren wie bereits erwhnt zunehmend fr die Lsung unterschiedlichster Problemstellungen in verschiedenen Industriebranchen und im Bereich des Umweltschutzes als wirtschaftliche und zuverlssige Alternativen zu konventionellen Verfahren erwiesen. Sie werden in diesen Gebieten sowohl zur Reinigung und Behandlung von Abwasser, als auch zur Aufbereitung von Prozesswasser eingesetzt. Der Begriff Prozesswasser ist weit gefasst. Er umfasst beispielsweise das zum Bierbrauen bentigte Wasser, das mglichst viele natrliche Mineralien enthalten soll. Aber auch fr medizinische Produkte in der Pharmaindustrie verwendetes ultrareines Wasser, aus dem alle partikulren und gelsten Substanzen einschlielich Mikroorganismen vollstndig entfernt sein mssen, wird als Prozesswasser bezeichnet. Zudem dient Prozesswasser als Hilfsmittel beim Khlen, Heizen, Splen und Waschen. So unterschiedlich die Einsatzbereiche auch sind eine Gemeinsamkeit gibt es: Die Aufbereitung von Prozess(ab)wasser gewinnt zunehmend an Bedeutung und der Markt fr entsprechende Aufbereitungsanlagen speziell fr diverse Membrananlagen wchst kontinuierlich. Die verfahrenstechnischen Integrationsmglichkeiten dieser Anlagen sind vielfltig. blicherweise sind Aufbereitungsanlagen in den Prozess integriert oder unmittelbar nach bzw. vor dem entsprechenden Prozessschritt angeordnet, die Wasseraufbereitung erfolgt also direkt am Entstehungsort. Die Abwasserbehandlung mit dem primren Ziel der Einhaltung von Emissionsrichtlinien hingegen ist prinzipiell an drei Stellen mglich: erstens vor der Einleitung des Abwassers in die Kanalisation, zweitens im biologischen Abwasserreinigungsprozess (Membranbioreaktoren) und drittens vor der Einleitung in ein ffentliches Gewsser. Prozessintegrierten Anwendungen ist in der Regel der Vorzug zu geben, da Trennoperationen mittels Membranen vor einer Vermischung mit anderen Abwasserstrmen, also bei Gemischen mit hheren Konzentrationen und definierterer Zusammensetzung, effektiver ausgefhrt werden knnen. Die Ziele, die beim Einsatz von Membranverfahren in der Industrie verfolgt werden, knnen die Reinigung des Wassers, z. B. zur

    Einhaltung von Einleitgrenzwerten oder zur Wiederverwendung im Prozess, und/oder die Konzentrierung der Inhaltsstoffe, z. B. zur Wertstoffrckgewinnung oder zur Reduzierung der in die Kanalisation eingeleiteten Abwassermenge

    sein. Neben der Einhaltung der Abwassergrenzwerte spielen jedoch noch andere Punkte eine wesentliche Rolle. Durch die Verringerung der Abwassermengen bzw. die Verbesserung der Abwasserqualitt (geringere Schmutzfrachten) werden die Kosten fr die Abwasserentsorgung

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    zum Teil erheblich gesenkt. Der verminderte Bedarf an Frischwasser bei Kreislauffhrung sowie an zugekauften Produktionsmitteln durch Rckgewinnung aus dem Ab- bzw. Prozesswasser verringert ebenfalls die laufenden Kosten.

    Unter geeigneten Umstnden knnen durch den Einsatz von Membrantrennanlagen sowohl die Kapazitt bestehender Produktionsanlagen vergrert als auch deren Qualitt verbessert werden, sodass zum Beispiel der Ausbau von bestimmten Produktionsstraen, welcher mit hohen Kosten verbunden wre, vermieden werden kann.

    Aufgrund von Wasserknappheit in bestimmten Regionen ist fr viele Unternehmen die weitgehende Unabhngigkeit von der rtlichen Frischwasserversorgung durch Kreislauffhrung des Prozesswassers von groer Bedeutung. Zudem stellt die Abkopplung von der Abwassergesetzgebung im Falle einer Kreislauffhrung von Prozesswasser einen erheblichen Vorteil dar. Nicht zuletzt bringt die Anwendung von Membrantechnologien oftmals einen nicht zu vernachlssigenden Imagevorteil fr die betreffenden Unternehmen mit sich. Trotz der vielen mglichen Vorteile, die der Einsatz von Membranverfahren in der Industrie mit sich bringen kann, und des allgemein hohen Potenzials von Membrantrennverfahren fr technische Problemlsungen steht ein voller technischer Durchbruch in vielen mglichen Anwendungsfllen noch aus. Es gibt eine Reihe von mglichen hemmenden Faktoren, die der Implementierung von Membranverfahren in diversen Industriebetrieben entgegenwirken: generell unzureichende Information ber Membrantechniken: Die fehlende Bereitschaft in

    vielen Industriebetrieben, sich mit Membrantechnologien auseinander zu setzen, und mangelndes Interesse bzw. mangelnde Motivation fr die Implementierung von Membrantechniken bringen in vielen Fllen einen unzureichenden Informationsstand mit sich. Die Grnde dafr liegen in der Regel in der gesicherten Rohstoffver- und Abwasserentsorgung.

    fehlende Erfahrungen: Aufgrund des stark ausgeprgten Konkurrenzdenkens ist der Informationsfluss zwischen Anwendern und mglichen zuknftigen Anwendern von Membrantechnologien gering. Der Erfahrungsaustausch zwischen den Beteiligten wird dadurch stark eingeschrnkt.

    wenig Vertrauen: Da es nur wenige Referenzanlagen gibt, ist das Vertrauen in Membrantechnologien in Bezug auf den Nutzen, die Funktionstchtigkeit und die Betriebssicherheit vielfach sehr gering. Konkurrenzverfahren werden daher oft bevorzugt.

    unsichere Wirtschaftlichkeit: Hohe Investitionskosten und eine schwer einschtzbare Wirtschaftlichkeit von Membranverfahren sind oftmals wesentliche hemmende Faktoren.

    bestehende Anlagen mit langen Abschreibungszeiten: Bereits bestehende, funktionstchtige alternative Anlagen (zB Verdampfer) werden aus wirtschaftlichen Grnden so lange wie mglich genutzt und nicht durch Membrananlagen ersetzt.

    erforderliche Vernderungen: Um den Einsatz von Membranverfahren technisch zu ermglichen, ist in vielen Fllen die Substitution bestimmter Stoffe im Prozesswasserstrom, eine Vernderung einzelner Prozessschritte oder eine Vorbehandlung des zu behandelnden Abwasserstroms erforderlich.

    schwer zu behandelndes Abwasser: Die meisten Industrieprozesse bestehen aus einer Reihe verschiedener Prozessschritte, aus welchen qualitativ und quantitativ sehr unterschiedliche Abwsser hervorgehen. Diese werden in der Regel vermischt und bilden einen Abwasserstrom, der hinsichtlich Menge und Zusammensetzung starken zeitlichen Schwankungen unterliegt und der fr jeden Abwasserbehandlungsprozess, welcher Wasser von verlsslich hoher Qualitt bereitstellen soll, eine signifikante Herausforderung darstellt.

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    einfache und kostengnstige Abwasserbehandlung in rtlichen Klranlagen: In konventionellen Klranlagen knnen Industrieabwsser in der Regel problemlos behandelt werden. Die zum Teil starken qualitativen und quantitativen Schwankungen werden einfach durch Vermischung mit huslichen Abwssern ausgeglichen. Die Abwassergebhren sind daher meist nicht sehr hoch, darber hinaus stellen rtliche Klranlagen in vielen Fllen Leitungswasser bereit, dessen Qualitt fr viele Industrieprozesse ausreichend ist.

    keine Standardverfahren: Fr die Behandlung von Industrieabwasser gibt es keine Standardverfahren. Es sind fr jeden Einzelfall grndliche berlegungen und eine jeweils angepasste technische Lsung erforderlich. Praktische Untersuchungen im Labor- und im halbtechnischen Mastab sind bei neuen Aufgabenstellungen in jedem Fall unumgnglich. [5, 6, 8, 10, 13, 14, 15]

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    5 Ergebnisse der Literaturrecherche

    5.1 Ziel und Umfang der Literaturrecherche Die Ergebnisse der im Rahmen der Arbeit durchgefhrten Literaturrecherche ber bis dato bekannte Einsatzmglichkeiten von Membranverfahren in der lebensmittel- und der metallver- bzw. -bearbeitenden Industrie, und zwar weltweit betrachtet, sind in diesem Kapitel wiedergegeben bzw. zusammengefasst. Es konnten zahlreiche Literaturstellen zum Thema gefunden werden, wobei es sich einerseits um sehr allgemein gehaltene Artikel ber den generellen Einsatz von Membranverfahren in bestimmten Industriesparten, andererseits um die Beschreibung ganz konkreter Anwendungen handelt. Beide Arten von Literaturstellen waren fr die Recherche gleichermaen von Relevanz und wurden daher entsprechend bercksichtigt. Der Groteil der Artikel ist in englischer Sprache verfasst und erwartungsgem neueren Datums. Die nachfolgenden Unterkapitel stellen inhaltliche Zusammenfassungen der Literaturstellen in deutscher Sprache dar, wobei eine Gliederung derselben nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen wurde. Die Recherche wurde vorrangig ber das Internet durchgefhrt, wobei die konkreten Informationen bis auf wenige Ausnahmen nicht direkt im World Wide Web verfgbar waren. Vielmehr stellte das Internet eine Hilfestellung fr das Auffinden der gesuchten Informationen dar, fungierte also gewissermaen als Wegweiser zu Artikeln in speziellen Bchern oder bestimmten Zeitschriften. Erstere wurden letztendlich von der Bibliothek der Montanuniversitt Leoben selbst oder ber diese von anderen sterreichischen Universittsbibliotheken geliehen, die Zeitschriftenartikel grtenteils ber Science Direct, eine kostenpflichtige Datenbank, zu der Universittsangehrige Zugang haben, bezogen. Es sei angemerkt, dass bei der Literaturstudie alle Membranverfahren bercksichtigt wurden. Neben Verfahren, welche bereits grotechnisch eingesetzt werden, waren auch jene, welche sich noch in der Entwicklungs- oder einer Test- bzw. Versuchsphase befinden, fr die Recherche von Relevanz.

    5.2 Lebensmittelindustrie im berblick

    5.2.1 Einleitung Membranverfahren werden in der Lebensmittel- und Getrnkeindustrie vielseitig eingesetzt. Dabei wird in der Regel eines der vier folgenden Ziele verfolgt: Produktaufwertung Reinwasserherstellung Prozessoptimierung Abfall- bzw. Abwasserbehandlung oder reduktion

    Im Folgenden wird im Groen und Ganzen nur auf die beiden letzteren Punkte eingegangen, da nur diese im Sinne eines Industriellen Umweltschutzes relevant sind.

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    5.2.2 Behandlung und Aufbereitung von Prozess- bzw. Abwssern Die Lebensmittelindustrie ist von wasserintensiven Produktionsprozessen geprgt. Mehr als 60 % des gesamten Wasseraufkommens in der Lebensmittelindustrie haben Trinkwasserqualitt, bei Brauereien und Mineralbrunnen und in der Milchverarbeitung liegt der Anteil prozessbedingt deutlich hher. Das Verhltnis von Abwasser- zu Wasseraufkommen betrug 1998 in der Lebensmittelindustrie 0,85. Der Groteil des bentigten Wassers wird neben dessen Verwendung als Rohstoff fr verschiedene Getrnke fr Wasch- und Reinigungszwecke eingesetzt. Die in Betrieben der Lebensmittel- und Getrnkeindustrie generierten Prozess- bzw. Abwsser sind durch sehr unterschiedliche Verschmutzungsgrade gekennzeichnet. In vielen Fllen werden sie in Misch- und Ausgleichstanks, wo teilweise eine biologische Behandlung stattfindet, gesammelt, anschlieend in die Kanalisation eingeleitet und schlielich in einer ffentlichen biologischen Klranlage behandelt. Aufgrund der stndig strenger werdenden Abwassereinleitbedingungen ziehen immer mehr Unternehmen eine Abwasserreinigung vor Ort in Erwgung, da die Kosten dafr oft geringer sind als fr die Einleitung unbehandelten Abwassers in das kommunale Abwassernetz. Vielfach erfolgt die Abwasserbehandlung mittels Membranverfahren. Ziel dabei ist es, den Abwasserstrom in einen mglichst hohen Anteil an Permeat, welches den Direkteinleitbedingungen gengt, und einen geringen Anteil an stark angereichertem Konzentrat, welches letztendlich entsorgt wird, aufzutrennen. Das Prozesswasser kann aber auch betriebsintern zur Produktrckgewinnung oder Wasserwiederverwendung im Unternehmen gezielt behandelt werden. Allerdings sind die Anforderungen an aufbereitetes und in der Lebensmittel- bzw. Getrnkeindustrie wieder eingesetztes Wasser sehr hoch. Es muss generell mindestens Trinkwasserqualitt haben, fr bestimmte Anwendungen, wie fr die Verwendung als Kesselspeisewasser oder als warmes Reinigungswasser, gelten sogar noch strengere Bestimmungen. Aus Marketinggrnden wird recyceltes Wasser in der Lebensmittelindustrie nicht als Produktbestandteil oder fr Prozesse, in denen Wasser in Kontakt mit Produkten kommt, eingesetzt, auch wenn dies vom Gesichtspunkt der Wasserreinheit mglich wre. Die zur Aufbereitung des anfallenden Abwasser(teil)stroms notwendigen Verfahrensschritte sind in Abhngigkeit von der Zusammensetzung und Hhe der Fracht, der Gleichmigkeit von Fracht und Volumenstrom ber die Zeit und dem gewnschten Aufbereitungsziel (Indirekteinleitung, Direkteinleitung,

    Wiederverwendung als Betriebswasser)

    auszuwhlen und aufeinander abzustimmen. Es ist stets eine genaue Betrachtung des konkreten Einzelfalls erforderlich und oft bedarf es mehrmonatiger Pilotversuche vor Ort, um die Anlagenkonfiguration und die notwendigen Auslegungsparameter fr eine grotechnische Anlage festlegen und absichern zu knnen.

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    Generell erfolgt die Behandlung und Aufbereitung von Prozess- bzw. Abwssern meist nach folgendem Schema unter Verwendung nachstehender Verfahren: Vorbehandlung

    o Vergleichmigung von Volumenstrom und Konzentrationen in Misch- und Ausgleichsbecken

    o Konditionierung des Mischabwassers gem den Anforderungen nachfolgender Aufbereitungssysteme

    o Abtrennung ungelster, grob- und gegebenenfalls feindisperser Abwasserinhaltsstoffe durch Rechen-, Sieb-, Sedimentations-, Flotationsanlagen, Hydrozyklone, Zentrifugen, Dekanter, etc.

    weiterfhrende Behandlung o biologischer Abbau von gelster und ungelster organischer Fracht durch aerob-

    biologische Verfahren (unter anderem Membranbelebungsverfahren) oder anaerob-biologische Verfahren

    o Abbau biologisch nicht bzw. schwer abbaubarer organischer Stoffe, hufig durch Oxidationsverfahren

    o Abtrennung gelster organischer und anorganischer Fracht durch Membrantrennverfahren, Verdampfung oder Fllung

    Endreinigung o weitergehende Abtrennung bzw. Abbau gelster Abwasserinhaltsstoffe hufig

    durch Membranverfahren

    o Desinfektion zur Sicherstellung von Trinkwasserqualitt durch UV-Desinfektion oder chemische Desinfektion

    5.2.3 Aufbereitung von Reinigungs- und Prozesschemikalien Die Rckgewinnung und Wiederverwendung von reinigenden und verarbeitenden Chemikalien gewinnt in der Lebensmittelindustrie zunehmend an Bedeutung. Ein Grund dafr sind die strenger werdenden Umweltauflagen. Hinzu kommt, dass sich fr die Unternehmen durch eine Chemikalienaufbereitung oft nicht zu vernachlssigende Vorteile ergeben. Diese knnen sich zB in Form von geringeren Prozesskosten, einer hheren Produktqualitt, der Generierung von neuen Produkten aus vormals verbrauchten, zu behandelnden oder zu entsorgenden Strmen, einen geringeren Energie- Wasser- und Abfallbehandlungsbedarf manifestieren. Aufgrund mehr oder weniger hoher Phosphat-, Nitrat- und sonstiger Additivgehalte, schwankender pH-Werte und hoher Salzfrachten von Chemikalienlsungen ist deren Behandlung in herkmmlichen Abfallbehandlungsanlagen oft problematisch. Daher sind Unternehmen zunehmend dazu angehalten, den Verbrauch derartiger Chemikalien durch sparsameren Einsatz oder durch gezieltes Recycling zu minimieren.

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    In der Regel erfolgt die Aufbereitung von Chemikalienlsungen nach folgendem Prinzip: Vorbehandlung, zB durch Flotation zur Entfernung grerer Partikel oder durch Adsorption

    zur Entfernung von Farbe

    Aufbereitung durch Membran- oder andere Verfahren Nachbehandlung durch UV-Bestrahlung oder Pasteurisierung zur Sicherstellung der

    mikrobiologischen Reinheit

    Ausgleich von Verlusten durch Zufgen angemessener Mengen frischer Chemikalien Die beiden grundlegenden Betriebsweisen von Prozessen fr die Aufbereitung von Chemikalien, im Speziellen CIP-Chemikalien, mittels Membranverfahren sind der Chargen- und der kontinuierliche Betrieb. Bei der Chargenbetriebsweise wird die verbrauchte Lsung in einen Speicherbehlter und anschlieend durch eine Membraneinheit gepumpt, unabhngig vom normalen Betriebsablauf. Sobald das bentigte Volumen an Permeat vorhanden ist, wird dieses zur neuerlichen Verwendung in das CIP-System zurckgeleitet. Das volumenmig stark reduzierte Retentat wird entfernt und entsorgt. Beim kontinuierlichen Betrieb erfolgt die Reinigung der CIP-Lsung wie bereits aus dem Namen hervorgeht kontinuierlich und parallel zu deren Verwendung fr Reinigungszwecke. Die verbrauchte Lsung wird sofort zur Membraneinheit gepumpt und das Permeat direkt in den Tank des CIP-Systems zurckgeleitet. Das Retentat wird fr eine weitere Behandlung gespeichert oder entsorgt [7, 16, 17, 18].

    5.3 Getrnkeindustrie

    5.3.1 Einleitung Membranverfahren knnen einen wertvollen Beitrag zur wirtschaftlichen Schlieung von Wasserkreislufen leisten. Beispiele fr die Anwendung von Membranverfahren in der Getrnkeindustrie sind die Aufbereitung und Rckgewinnung von Laugen aus Flaschenwaschmaschinen und CIP-Anlagen sowie die Aufbereitung schwach belasteter Brdenkondensate und/oder Nachsplwsser. [17]

    5.3.2 Wasserrecycling und Laugenaufbereitung bei der Flaschenreinigung Flaschenwaschmaschinen zur Reinigung von Mehrweggebinden sind weltweit im Einsatz und verbrauchen Laugen, Wasser und Energie als wichtigste Konsumenten in der Mehrweg-Abflllinie. Durch den Einsatz von Membranverfahren ist eine Rckgewinnung von Suren, Laugen und Wasser mglich, was zu einer Einsparung von Kosten fr primr eingesetzte Chemikalien und fr die Neutralisation der verbrauchten Lsungen sowie fr deren Entsorgung fhrt [19].

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    5.3.2.1 Wasserrecycling Flaschenwaschmaschinen sind nach der eigentlichen Getrnkeherstellung die Hauptwasserverbraucher in der Abflllinie. Ein Groteil des fr die Flaschenreinigung eingesetzten Wassers wird fr die Frischwassereindsung beim Austritt der Flaschen aus den Laugenbdern bentigt, welche mit mehreren aufeinander folgenden Frischwasserspritzrohren der rckstandsfreien Aussplung sowie der Abkhlung der Flaschen dient.

    5.3.2.1.1 Mikrofiltration Das folgende Verfahrensbeispiel kam bereits in mehreren Fllen erfolgreich zur Nachrstung lterer Flaschenreinigungsmaschinen zum Einsatz. Das von den Spritzrohren 2 und 3 ablaufende Wasser wird durch eine Wanne aufgefangen und ber ein Stecksieb dem Vorlagebehlter zugefhrt. Anschlieend wird es in einem zweistufigen Verfahren mit einem Feinfilter (MF-Membran) zur Entfernung partikulrer Stoffe sowie einer UV-Anlage zur Entkeimung aufbereitet. Das so gewonnene Wasser hat Trinkwasserqualitt und wird im Spritzrohr 1 wiedereingesetzt. Das geschilderte Verfahren ist weitgehend automatisiert und fhrt im Vergleich zur herkmmlichen Methode in den Flaschenwaschmaschinen zu einer Senkung des Wasserverbrauchs um ein Drittel bis die Hlfte. [17]

    5.3.2.1.2 Umkehrosmose Ein sinnvoller Ausgangspunkt fr Wasserrecycling ist der Ablauf des ersten Splbades (Ablauf Warmwasser). Dieses hat eine definierte, vergleichsweise hohe Belastung. Damit eine uneingeschrnkte Wiederverwendung des Splwassers gewhrleistet ist, mssen Alkalitt, CSB und mikrobiologische Aktivitt gesenkt und Partikel abgetrennt werden. Folgende verfahrenstechnische Risiken ergeben sich bei der Behandlung dieses Abwassers: hohes Foulingpotenzial des Rohwassers: Diesem Risiko kann nur durch entsprechende

    Membranauswahl und -pflege begegnet werden.

    mikrobiologische Aktivitt: Das Rohwasser bietet unter anderem durch einen pH-Wert von ca. 11,5, einen relativ hohen CSB und eine Temperatur zwischen 30 und 40C nahezu ideale

    Lebens- und Wachstumsbedingungen fr diverse Kulturen.

    partikulre Belastung durch Papierflusen Ein mgliches Aufbereitungssystem besteht aus nachstehenden drei Verfahrensschritten: In einer ersten Stufe wird das Rohwasser mittels Rcksplfiltern mit einer Trenngrenze von 30 nm vorbehandelt. Dadurch werden Bakterien und Papierflusen abgetrennt. Die Filtratausbeute ist grer als 90 %. Anschlieend wird das Wasser in einer UO-Anlage entsalzt. Zur Erhhung des Salzrckhalts wird das Rohwasser im Verlauf der Aufbereitung mit Kohlensure teilneutralisiert. Die dritte Stufe ist eine UV-Desinfektionseinheit und stellt eine Sicherheitsstufe vor der Abgabe des Produktwassers an die Flaschenwaschmaschine dar [19].

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    5.3.2.1.3 Nanofiltration Im Rahmen einer Studie ber die Behandlung von schwach kontaminierten Prozesswssern aus der Lebensmittel- und Getrnkeindustrie wurde das Splwasser aus einer Flaschenwaschmaschine in nachfolgend beschriebener Demonstrationsanlage behandelt. Bei der betrachteten Flaschenwaschmaschine handelt es sich um eine relativ alte Konstruktion, bei der Getrnkereste, welche sich in den zu reinigenden Flaschen befinden, in das Splbad entleert werden. Der CSB des Splbades kann daher abhngig von der Art der Getrnke sehr unterschiedlich sein. Mineralwasserreste beispielsweise bewirken einen niedrigeren CSB als Fruchtsaftreste. Die Demonstrationsanlage, bestehend aus drei Stufen (Vorbehandlung, eigentliche Behandlung, Nachbehandlung), hatte eine Kapazitt von 1 2 m/h. Die Vorbehandlung von Prozesswssern hat einen erheblichen Einfluss auf das gesamte Konzept. Durch eine entsprechende Vorbehandlung knnen Betriebskosten reduziert und eine ausreichende Permeabilitt in den anschlieenden Behandlungseinheiten sichergestellt werden. Die Vorbehandlungsstufe der beschriebenen Demonstrationsanlage bestand aus einem Bandfilter, einer zweistufigen Kerzenfiltration und einer UV-Vordesinfektion zur Verhinderung von Membranfouling in der nachfolgenden Membrananlage. Die eigentliche Behandlung des Prozesswassers erfolgte mittels einer NF-Membran in Form eines Wickelmoduls. Die Nachbehandlungsstufe, durch welche sichergestellt werden sollte, dass die Anforderungen des Abwassers bezglich restlicher organischer und anorganischer Verunreinigungen und Mikroorganismen erfllt wurden, bestand aus einer Niederdruck-UO-Membran und einer abschlieenden UV-Desinfektion. Eine CIP-Station war in die Demonstrationsanlage integriert. Der Reinigungsprozess erfolgte optimiert, kontrolliert und automatisiert. Mit vorwiegend Mineralwasserresten kontaminiertes Splwasser konnte durch die Behandlung in der beschriebenen Pilotanlage so gut gereinigt werden, dass es den Anforderungen fr Trinkwasser entsprach und im Prozess wiedereingesetzt werden konnte. Die Behandlung von strker, zB durch Fruchtsaftreste, kontaminiertem Splwasser verlief nicht so erfolgreich. Ohne weitere Behandlung war eine Verwendung des gereinigten Prozesswassers nicht mglich. [20]

    5.3.2.2 Laugenaufbereitung Neben der konventionell durchgefhrten Pflege von Flaschenwaschlaugen durch Sedimentation kommen heute bereits in einigen Fllen Membranverfahren (MF, UF, NF) zum Einsatz. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: Die Membran bildet eine absolute physikalische Barriere zum Filtrat, die Qualitt des Filtrats ist konstant, der Platzbedarf ist gering, der Automatisierungsgrad ist sehr hoch, der Chemikalien- und Energiebedarf ist relativ gering.

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    Wichtige Kriterien fr eine Beurteilung der Eignung eines Reinigungsverfahrens zur Aufbereitung von Flaschenwaschlaugen sind die Verringerung des CSBs und die Entfernung von partikulren Verunreinigungen, Schwermetallen und Hrtebildnern. Der relativ hohe CSB von Flaschenwaschlaugen ergibt sich vor allem durch im Zuge der Flaschenreinigung eingetragene Getrnkereste und Etikettenleim. Ein hoher CSB verschlechtert die Prozessqualitt der Flaschenwaschlaugen und fhrt zu verstrkter Schaumbildung. Durch den Einsatz von MF-Membranen kann eine Reduzierung des CSBs um 20-30 % erzielt werden, durch UF-Membranen um 30-40 % und durch NF-Membranen um 90-95 %. Partikulre Verunreinigungen wie abgelste Etiketten, Staub, Glas- und Kunststoffsplitter werden durch Membranen zur Gnze entfernt, ebenso Schwermetalle und Hrtebildner. Gleichzeitig lsst sich ein Additiv-Rckhalt von 90-95 % bei keinem der drei Membranverfahren vermeiden. Durch die Aufbereitung von Flaschenwaschlaugen durch Membranverfahren sind Einsparungen an Natronlauge, Reinigungsadditiven, Antischaum- und Antistein-Komponenten und Desinfektions-chemikalien mglich. Weiters bedingt eine deutlich geringere Viskositt der aufbereiteten Waschlaugen ein verbessertes Abtropfverhalten an Flaschen und Krben und dadurch eine verminderte Verschleppung. Durch die Entfernung von Hrtebildnern aus den Waschlaugen knnen die Versteinerung der Waschmaschinen reduziert und die Wartungsintervalle vergrert werden. Der technische Erfolg von Membrananlagen zur Laugenaufbereitung wurde durch den Betrieb diverser Referenzanlagen besttigt und die Wirtschaftlichkeit derartiger Verfahren nachgewiesen. [19]

    5.3.3 Aufbereitung von CIP-Chemikalien Um die erforderlichen hygienischen Bedingungen in lebensmittelverarbeitenden Betrieben aufrecht zu erhalten, werden die diversen Apparate, Filter und Rohrleitungen regelmig mit Laugen und Suren gereinigt. Die Chemikalien werden bei ca. 80 C umgepumpt und anschlieend mit Luft und Wasser ausgeschoben. Nach der Reinigung wird die Lauge in einen Stapelbehlter zurckgefhrt und bei Erreichen des maximalen Schmutztragevermgens neutralisiert und entsorgt. Folgende Bestandteile sind in den gebrauchten Reinigungslsungen enthalten: emulgierte le und Fette suspendierte Teilchen gelste organische Verbindungen: Die organische Fracht wird mit der Zeit hydrolysiert und in

    kleinere Moleklfragmente zerlegt, was eine Dunkelfrbung der Lauge, Geruchsbildung und eine zunehmende Tendenz zur Schaumbildung nach sich zieht.

    Carbonate: Diese werden durch das Verdrngen der Lauge mit Luft eingetragen. Sie erhhen die Leitfhigkeit der Lauge und beeinflussen dadurch die leitfhigkeitsgesteuerte Dosiertechnik hinsichtlich einer Zugabe von Additiven. Auerdem fhren sie zu anorganischem Scaling an Behlteroberflchen.

    Durch den Einsatz einer NF-Filtrationsanlage zur Aufbereitung wird eine Laugenqualitt erreicht, die den Eingangsbedingungen entspricht. Das Permeat ist farblos und transparent, die Reinigungswirkung der aufbereiteten Natronlauge ist aufgrund des niedrigen Gehalts an Natriumcarbonat unvermindert und durch den geringen CSB nach der Membrantrennung ist auch im Langzeiteinsatz keine Akkumulation von organischen Bestandteilen zu erwarten.

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    Die Vorteile, die sich durch eine Laugenaufbereitung mittels NF-Membran ergeben, sind eine Einsparung an Lauge und vorbehandeltem Wasser, ein geringerer Bedarf an Antischaum-Additiven und ein reduzierter Verbrauch von Reinigungsadditiven. [19]

    5.3.4 Beispiel: Splwassermanagement bei Fruchtsaftkonzentrat-Lagertanks Die Reinigung von Fruchtsaftkonzentrat-Lagertanks erfolgt hufig in einem sechsstufigen Prozess, welcher sich aus den folgenden Schritten zusammensetzt: Vorsplung, Laugensplung, Zwischensplung, Suresplung, Nachsplung mit Frischwasser, Desinfektion. Eine weitgehende Wasser-Wiederverwendung kann durch das folgende Konzept erzielt werden:

    Reinigung des Abwassers aus der Vorsplung durch Umkehrosmose: Das dabei anfallende Permeat kann erneut fr die Vorsplung, das Konzentrat, in dem die aus dem Lagertank ausgeschwemmten Fruchtsaftkonzentratreste einschlielich der gelsten organischen und anorganischen Komponenten aufkonzentriert vorliegen, beispielsweise in der Tierftterung eingesetzt werden. Abwasser aus der Vorsplung wird durch dieses Konzept vollstndig vermieden.

    Reinigung der bei der zweiten Splung eingesetzten Lauge mit Reinigungs-Zusatzstoffen durch Mikrofiltration: Daraus ergeben sich die beiden Teilstrme Reinigungsmittel, welches wieder verwendet werden kann und eine belastete Restmenge, die neutralisiert und entsorgt werden muss. Neben den Wasser- und Zusatzstoffmengen wird auch die sonst zur Neutralisation notwendige Suremenge drastisch reduziert, da eine zigfache Wiederverwendung der Lauge mglich ist. hnliche Reinigungsmglichkeiten ergeben sich auch fr die Sure aus der vierten Splung.

    Eine Teilmengen-Wiederverwertung des Abwassers aus der Zwischensplung sowie der Endsplung ist nicht zweckmig, da eine Verwertbarkeit des Retentats (Fruchtsaftkonzentrat) aufgrund von Suren- und Laugenresten nicht mglich ist. Das beschriebene Konzept ermglicht eine Einsparung von 75 bis 80 % des ursprnglich verbrauchten Wassers und leistet einen betrchtlichen Beitrag zur Senkung von Betriebskosten und zur Schonung der Ressource Wasser. [17]

    5.3.5 Beispiel: Behandlung von Abwasser aus einer Fruchtsaftproduktionsanlage Im Rahmen einer Versuchsreihe wurde ein Konzept mit integrierter Membranfiltration fr die Herstellung von Wasser mit Trinkwasserqualitt aus verschmutztem Abwasser kleinerer und mittlerer Betriebe der Lebensmittel- und Getrnkeindustrie getestet. Die Versuche erfolgten in nahezu industriellem Mastab mit dem Abwasser aus Misch- und Ausgleichstanks einer Fruchtsaftproduktionsanlage. Die Versuchsanlage bestand aus einem Membranbioreaktor und einer zweistufigen Nanofiltration mit integrierter UV-Desinfektion. Bei den im Reaktor verwendeten Membranen handelte es sich um rhrenfrmige MF-Membranen (Kapillar- und Hohlfasermembranen), welche innen mit dem rohen Abwasser durchstrmt wurden. Zur Verhinderung von Deckschichtbildung wurden sie kontinuierlich mit groben Luftblasen

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    umsplt. Trotzdem waren zustzlich regelmiges Rcksplen der Membranen mit Permeat und chemisches Reinigen (CIP-Reinigung) zur Desinfektion und zur Verhinderung von Fouling erforderlich. Die Zudosierung von Phosphor in den Bioreaktor verhinderte die Schaumproduktion durch den Belebtschlamm. Im Verlauf der Testphase konnte keine direkte Beziehung zwischen den biologischen Betriebsparametern und dem Permeatfluss nachgewiesen werden. Weiters wurde die Membranleistung nur marginal vom jeweiligen Produktionszyklus des Unternehmens (zB Art des produzierten Fruchtsafts, Tankreinigung, Betrieb der Flaschenwaschmaschine) beeinflusst. Der CSB des Permeats konnte im Vergleich zu dem des unbehandelten Abwassers um mehr als 95 % reduziert werden. Vor dem Eintritt des im Membranbioreaktor behandelten Abwassers in die erste NF-Stufe erfolgte eine Desinfektion mittels UV-Licht, um das Biofouling-Potenzial des Abwassers in der Membraneinheit zu verringern. Die NF-Membranen kamen in Form von Wickelmodulen zum Einsatz. Zunchst wurden in beiden NF-Trennstufen Membranen mit einem hohen NaCl-Rckhalt von ca. 90 % gewhlt. Bereits in der ersten Trennstufe wurde ein sehr hoher Reduktionsgrad von gelsten organischen Stoffen (ca. 85 %) und gesamten organischen Stoffen (ca. 95 %) erreicht. Die zweite Stufe diente lediglich als Sicherheits-Stufe, durch welche die Wasserqualitt nochmals verbessert wurde, sodass das Permeat beinahe Kesselspeisewasserqualitt hatte. Allerdings ergaben sich bei Prozesswssern mit hohem Salzgehalt und hohem Foulingpotenzial erhebliche Probleme, weswegen die Membran der ersten Trennstufe durch eine mit geringerem NaCl-Rckhalt (ca. 55 %) ersetzt wurde. Der Rckhalt von gelsten organischen Stoffen in der ersten Stufe war nach wie vor sehr hoch (ca. 97 %). Die zweite NF-Stufe wurde als reine Entsalzungs-Stufe ohne jegliches Membranfouling betrieben. Vor der Wiederverwendung des Permeats aus der zweiten NF-Stufe konnte durch eine neuerliche UV-Desinfektion die erforderliche mikrobiologische Qualitt des behandelten Abwassers sichergestellt werden. Umfassende Qualittskontrollen des behandelten Abwassers ergaben, dass alle Parameter niedriger als die gesetzlichen Vorgaben fr Trinkwasser waren. Die Qualitt des Wassers erlaubt den Einsatz fr viele verschiedene Zwecke, zB als Kesselspeisewasser, als Khlwasser, fr die Pasteurisierungszwecke oder fr die Flaschenvorreinigung. Durch eine Kostenanalyse konnten betrchtliche Einsparungen bei Implementierung des beschriebenen Konzeptes in der Industrie nachgewiesen werden. [21, 22, 23]

    5.3.6 Beispiel: Behandlung von Abwasser aus Brauereien Speziell im Fall von Brauereiabwssern empfiehlt sich eine getrennte Behandlung der sehr unterschiedlich verunreinigten Abwsser mittels UO-Membranen. Der grte Teil des Brauereiabwassers ist unwesentlich verunreinigtes Khlwasser, wohingegen Abwasser aus Tankreinigungsprozessen, welches mengenmig lediglich ca. 3 % des gesamten Abwasseraufkommens ausmacht, zu mehr als 90 % zum BSB des Abwassers beitrgt. Eine Aufbereitung des Khlwassers mittels Umkehrosmose kann einen entscheidenden Beitrag zur Rckgewinnung von Brauchwasser guter Qualitt liefern. Das Retentat, das bei der Aufbereitung des Tankreinigungswassers mittels Umkehrosmose entsteht, kann als Viehfutter verwendet werden. [2]

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    5.4 Milchverarbeitung

    5.4.1 Einleitung In Molkereien und milchverarbeitenden Betrieben fallen je nach Produktpalette Abwasserstrme der folgenden drei Kategorien an:

    Abwasser als Nebenprodukt der Milchverarbeitung: insbesondere Wasser (tierischer Herkunft) aus der Eindampfung und Sprhtrocknung von Milch und Milchprodukten. Dieses enthlt vorwiegend leichtflchtige Milchbestandteile, aber auch Fette und Proteine.

    Abwsser aus Reinigungsprozessen, welche beim Splen, Reinigen, Desinfizieren der Produktionsanlagen entstehen. Sie sind vorwiegend mit Milchinhaltsstoffen, Milchfolgeprodukten und gegebenenfalls mit Abbauprodukten belastet, aber auch mit bei der CIP-Reinigung verwendeten Reinigungsmitteln und Chemikalien.

    Prozessabwasser: o weitgehend unbelastetes Prozesswasser ohne unmittelbaren Kontakt zum Medium

    Milch und seinen Folgeprodukten (zB Khlwasser aus Kltemaschinen oder Hochdruck-Homogenisatoren)

    o Prozesswasser mit Kontakt zu Milch und Milchprodukten (z. B. Wsser aus Kselaken und Khlwannen)

    Vor allem beim Anfahren, bei Unterbrechungen und beim Herunterfahren von diversen Molkereiprozessen fallen groe Abwassermengen an. Diese enthalten verschiedene Molkereiprodukte in verdnnter Form und zwar bis zu 3 % der gesamten Milchproduktmenge. Sie tragen signifikant zu nicht-zuflligen Verlusten von Milch und Milchprodukten und zur Abwasserproduktion bei.

    Die organischen Inhaltsstoffe des Molkereiabwassers sind zu mehr als 90 % Verschmutzungen aus Milch- und Produktresten, daher ist ein Anfall wesentlich belasteter Abwsser fast immer mit dem Verlust verkuflicher Produkte gleichzusetzen. Durch den Einsatz von Membranverfahren lassen sich zwei Ziele verfolgen:

    Die Aufkonzentrierung der Milchbestandteile, um sie fr verschiedene Anwendungen auerhalb der Lebensmittelindustrie, z. B. als Viehfutter in der Landwirtschaft oder als Co-Ferment bei der Biogaserzeugung, verfgbar zu machen. Partikulre Milchfolgeprodukte sowie emulgierte Fett- und kolloidal gelste Eiweibestandteile knnen durch Membrantrennverfahren zu hundert Prozent aus dem Abwasser entfernt werden.

    Gleichzeitig die Herstellung von sauberem Wasser, das im Molkereibetrieb wieder verwendet werden kann. Die angestrebte Qualitt des aufbereiteten Wassers ist abhngig davon, zu welchem Zweck das Prozesswasser wieder eingesetzt werden soll.

    In einigen milchverarbeitenden Betrieben ist eine Vollreinigung der Abwsser nicht durchfhrbar, zB aus Platz- oder aus konomischen Grnden. In diesen Fllen stellt die Abwasserauftrennung mittels Membranverfahren in zwei Teilstrme eine energetisch vorteilhafte Alternative zur Gesamtableitung des Abwassers in eine kommunale Klranlage dar: Der hochkonzentrierte Teilstrom (Retentat) mit einem mglichst hohen Anteil an organischer Schmutzfracht wird in den anaeroben Faulturm der kommunalen Klranlage eingebracht, der niedrig konzentrierte Teilstrom (Permeat) in die aerobe kommunale Abwasserreinigung abgeleitet.

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    Zu beachten ist, dass der Anfall an Molkereiabwssern starke Mengen- und Konzentrationsschwankungen aufweist. Deshalb sind Membrananlagen ausreichend dimensionierte Puffer- und Ausgleichsbecken vorzuschalten. Ein weiteres Merkmal von Molkereiabwssern ist deren mikrobiologische Aktivitt, wodurch bereits innerhalb weiniger Stunden ein starker Abfall des pH-Wertes und anaerobe Zustnde zu beobachten sind. Eine pH-Wert-Regelung, Dosiereinrichtungen fr Anti-Scaling- oder Filtrationshilfsmittel und weitgehend automatisierte Reinigungseinrichtungen sind bei Abwasserbehandlungsanlagen mit Membranen daher vorteilhaft. [8, 17, 24] 5.4.2 Molkebehandlung Die Behandlung von Molke als Abfallprodukt aus der milchverarbeitenden Industrie ist mit technischen, konomischen und umweltbezogenen Frage- bzw. Problemstellungen verbunden. Die Grnde dafr liegen in

    den groen Mengen an jhrlich produzierter Molke, der hohen Schadstoffkonzentration (hoher CSB), der hohen Resistenz gegenber biologischem Abbau mit Belebtschlamm, den Auswirkungen auf die Umwelt, der schwierigen Wahl einer geeigneten Abfallbehandlungstechnologie, den hohen Behandlungskosten.

    Durch den Einsatz von Membranverfahren ist eine Ver- bzw. Aufwertung von Molkeinhaltsstoffen wie Fetten, Proteinen, Salzen, reinem Wasser mglich. Weltweit werden zunehmende Mengen von Molke industriell zu Molkepulver und anderen hochqualitativen proteinreichen Produkten verarbeitet, wobei der Wert der fr den menschlichen oder tierischen Konsum bestimmten Molkeprodukte hher ist, wenn diese in entsalzter Form vorliegen. [16]

    5.4.2.1 Molkefraktionierung Eine Mglichkeit zur Fraktionierung von Molke ist jene mittels des nachfolgend beschriebenen mehrstufigen Konzepts. Durch Mikrofiltration werden Fette, Geronnenes und andere makroskopische Komponenten abgetrennt. Diese Substanzen knnen wieder verwendet werden, zB bei der Produktion von Butter und Kse. Das Permeat aus der MF-Stufe wird anschlieend zur Rckgewinnung von Molkeproteinkonzentrat ultrafiltriert. Molkeproteinkonzentrat hat einen hohen biologischen Wert und ist als Lebensmitteladditiv sehr attraktiv. Wegen dem hohen Foulingpotenzial der Molke muss diese jedoch vorbehandelt werden, zB durch schockartiges Erhitzen auf 85 C fr 15 Sekunden und anschlieende Einstellung des pH-Wertes auf 5,9.

    Eine UO-Einheit bildet die dritte und letzte Membrantrennstufe. In dieser Stufe wird Laktose aufkonzentriert. Laktose ist fr den hohen CSB von Molke verantwortlich und kann durch MF- und UF-Membranen nicht zurckgehalten werden. Durch einfache Umkehrosmose kann Laktose bis zu einem Faktor von 3 aufkonzentriert werden, durch zwei Umkehrosmose-Stufen wird Laktose soweit zurckgehalten, dass aus der Behandlungseinheit reines Wasser hervorgeht. [16]

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    5.4.2.2 Molkeentsalzung In industriellen Prozessen wird die Molke zunchst durch Eindampfen oder Umkehrosmose aufkonzentriert und anschlieend durch Elektrolyse und/oder Ionenaustausch entsalzt. Die Nanofiltration stellt eine Alternative zur herkmmlichen Konzentrierung und Entsalzung mit dem Vorteil der Vereinigung beider Schritte in einem Prozess dar. Durch sie lassen sich der Energieverbrauch und die Abwassermengen senken und in weiterer Folge Energie-, Abwasserbehandlungs- und Gesamtkosten einsparen. Allerdings ergaben Studien, dass der Prozentsatz der Entsalzung durch Nanofiltration bei etwa 40 liegt, wohingegen durch kombinierte Eindampfung/Elektrolyse ein Prozentsatz von bis zu 60 erreicht werden kann. Im Rahmen einer Studie ber die Behandlung von Molkeabwssern durch Nanofiltration wurden mehrere NF-Membranen unter Verwendung verschiedener Materialien im Labormastab hergestellt und deren Leistung sowie die Leistung von kommerziell hergestellten Membranen in einer Pilotanlage untersucht und miteinander verglichen. Die Membranen wurden fr