Projekt 38123/01

Ökologische und ökonomische Bilanzierung eines innovativen, energieeffizienten Verfahrens (MET-Technologie = Mikrowelleninduzierte Emulsions-Trennung) zur Trennung von Öl-Wasser-Gemischen

Projektdurchführung

Zielsetzung

Das Ziel des Projekts besteht darin, sowohl die Trennleistung als auch die Energieeffizienz des MET-Verfahrens zu evaluieren. Zu diesem Zweck sollen verschiedene Vergleichsversuche mit dem MET-Verfahren im Technikumsmaßstab durchgeführt werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Emulsionstrennung. Darüber hinaus werden auch physikalisch-chemische Parameter wie pH-Wert, Temperatur und Leitfähigkeit untersucht.

Ein weiteres Ziel des Projekts ist es, den Energieverbrauch des MET-Verfahrens mit anderen Verfahren zur Emulsionsabscheidung zu vergleichen, um eine Bewertung im Hinblick auf die Energieeffizienz vorzunehmen.

Arbeitsschritte

Das Emulsionsmaterial wurde von einem Unternehmen in Mannheim bezogen, das Abfälle aus verschiedenen Branchen, hauptsächlich aus Werkstätten und Metallbearbeitungsbetrieben, sammelt. Die Wasseraufbereitung erfolgt in diesem Betrieb durch Emulsionsspaltung, wobei verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen. Das Ergebnis sind zwei Arten von Rückständen: flüssige Emulsionsabfälle (Mineralölgehalt bis 5 %) und Konzentrate (Mineralölgehalt über 50 %). Die Emulsionen wurden in IBC-Containern zur SRH-Hochschule für Versuche transportiert und nach der Verprobung zurück zu der Firma gebracht.
Vor dem Umfüllen der Emulsion in zwei Edelstahlbehälter wurde diese im IBC-Container mit einem Rührwerk homogenisiert. Die beiden 200-Liter-Versuchsbehälter wurden bis zu einem Füllstand von maximal 75 % befüllt und zur Identifizierung mit den Nummern T1 und T2 versehen. Im nächsten Schritt wurde ein Edelstahltauchheizkörper eingesetzt. Der Heizer war an einen Temperaturregler angeschlossen, um die Emulsion auf mindestens 60 °C zu erhitzen, sowie an einen Energiezähler, um den Energieverbrauch zu erfassen. Die Temperatur wurde regelmäßig kontrolliert und die Emulsion für eine gleichmäßige Erwärmung etwa eine Minute gerührt. Nach Erreichen der vorgegebenen Temperatur wurde die Behandlung am Edelstahlbehälter T1 mit dem MET-Gerät mittels mikrowellenbehandelten Leitungswassers durchgeführt.
Die Emulsion im T2-Edelstahlbehälter wurde ebenfalls auf 60 °C erhitzt und mit der gleichen Menge – diesmal aber unbehandelten – Leitungswasser befüllt, um ein ähnliches Volumen oder eine ähnliche Verdünnung zu erzielen.
Die Auswertung der MET-Trennungsergebnisse erfolgte in bestimmten Zeitintervallen.
Die Bestimmung des Wassergehalts wurde dabei gemäß DIN 51777 „Mineralölerzeugnisse - Bestimmung des Wassergehaltes durch Titration nach Karl Fischer“ mittels Karl-Fischer-Titration durchgeführt.
Im Rahmen der Analyse der Abweichungen der erzielten Ergebnisse wurde der Einsatz statistischer Testverfahren durchgeführt. Konkret kamen Mann-Whitney-U-Tests zum Einsatz, da diese – im Gegensatz zu Student-t-Tests – keine Normalverteilung der Proben voraussetzen.
Bei einem Signifikanzniveau von p < 0,05 wurde die Nullhypothese verworfen.
Im Rahmen der Versuche erfolgte außerdem eine Erfassung des Stromverbrauchs aller verwendeten elektrischen Geräte, um auf diese Weise einen Gesamtverbrauch pro Behandlung zu ermitteln

Ergebnisse

Ökologische Aspekte
Im Rahmen der Emulsionsspaltung, insbesondere in industriellen Prozessen, wie der Abwasserbehandlung, sind die Parameter Leitfähigkeit, Salzgehalt und Gesamtmenge der gelösten Feststoffe (TDS, Total Dissolved Solids) von entscheidender Bedeutung. Diese Parameter stehen in einem engen Zusammenhang und beeinflussen sowohl die Effektivität des Spaltungsprozesses als auch die Qualität des resultierenden Wassers. In allen vier Experimenten konnten die Parameter das erwartete Verhalten bei der Phasentrennung bestätigen. Dies bedeutet, dass sich die Öltröpfchen während der Trennung von Öl und Wasser sammeln und eine separate Phase bilden. Der Salzgehalt verbleibt hauptsächlich in der wässrigen Phase (unterer Teil), da Salze eine hohe Löslichkeit in Wasser aufweisen. In der resultierenden Ölphase (oberer Teil) ist folglich eine geringere Leitfähigkeit im Vergleich zur wässrigen Phase zu verzeichnen.
In Bezug auf den Wassergehalt konnten in drei der vier Versuche signifikante statistische Unterschiede zwischen dem mit MET behandelten Behälter und dem Kontrollbehälter festgestellt werden. Das Experiment, bei dem der statistische Test nicht durchgeführt werden konnte, war auf einen Mangel an Daten zurückzuführen.
Ökonomische Aspekte
Die Kosten für die Entsorgung von Emulsionen können stark variieren und hängen von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich des Volumens, der Art der Emulsion, ihrer Zusammensetzung und den örtlichen Vorschriften für die Entsorgung von gefährlichen Abfällen. Die Gesamtkosten für diese Dienstleistungen beinhalten verschiedene Faktoren. Dazu zählen der Energieverbrauch, die Kosten für die Beschaffung von Flockungsmitteln, Koagulaten und anderen chemischen Zusatzstoffen, die für die Spaltung der Emulsion notwendig sind, sowie die Kosten für Personal und der Wasserverbrauch.
Die durchschnittlichen Leitungswasserkosten und Stromkosten in Deutschland können variieren, basierend auf verschiedenen Faktoren wie dem Standort, dem Verbrauch und dem gewählten Tarif. Unter Berücksichtigung der Aufwendungen für Energie und Wasser belaufen sich die Kosten für eine MET-Behandlung auf etwa 16 Euro.
Die Aufwendungen für Chemikalien, welche zur Destabilisierung von Emulsionen erforderlich sind, können durch eine MET-Behandlung eingespart werden. Hinsichtlich der Personalkosten ist zu erwähnen, dass das MET-Gerät nach einer entsprechenden Weiterentwicklung und großflächigen Implementierung automatisch funktionieren wird.

Öffentlichkeitsarbeit

Bei verschiedenen akademischen Veranstaltungen („Democratia“ sowie „Weltwassertag“) wurden wissenschaftliche Poster des Projekts präsentiert, die eine Diskussion zwischen Lehrenden und Studierenden ermöglichten.

Fazit

Die Behandlung von ölhaltigen Industrieabwässern stellt eine signifikante ökologische und ökonomische Herausforderung dar, die es zu bewältigen gilt. Aquatische Ökosysteme können durch diese Abwässer geschädigt werden, zudem sind mit hohen Behandlungskosten zu rechnen. Die Firma GiveTech UG hat eine innovative Methodik verwendet, welche auf der Verwendung von Mikrowellenenergie zur Separation von Öl-Wasser-Emulsionen basiert. Dabei wird Leitungswasser mit Mikrowellenstrahlung behandelt, um anschließend das behandelte Wasser sukzessive der zu trennende Emulsion zuzuführen.
Ziel dieses Projektes war es, die Trennleistung der MET-Geräte durch den Vergleich physikalischer und chemischer Parameter insbesondere des Wasser- und Ölgehaltes sowie der pH-Wert, Leitfähigkeit, Salzgehalt, TDS-Gehalt und der Temperatur in behandelten und Kontrollproben im Zeitverlauf zu bewerten. Zusätzlich wurde der Energieverbrauch des MET-Verfahrens ermittelt, um einen Vergleich mit den derzeit marktüblichen Ölabscheidetechniken zu ermöglichen.
In drei von vier Versuchen zeigten sich signifikante Unterschiede im Öl-/Wassergehalt zwischen dem mit MET behandelten Behälter und dem Kontrollbehälter. Diese signifikanten Veränderungen bedürfen weiterer Untersuchungen in größerem Maßstab.