Projekt 20370/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Aufbereitung und Kreislaufführung von Spülwasser aus der Kationenaustauscher-Regeneration am Beispiel einer mittelständischen Brauerei unter Einsatz einer halbtechnischen Membranversuchsanlage

Projektdurchführung

EUWA Wasseraufbereitungsanlagen GmbH
Daimlerstr. 2 - 10
71116 Gärtringen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen stetig steigender Frisch- und Abwasserkosten und dem damit verbundenen Zwang zu vermehrten Wassereinsparungen sind Wasserrecyclinganlagen verstärkt in das Interesse von Brauereien gerückt. Dabei hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass sich ein Recycling des gesamten Mischab-wassers als technisch aufwändig und nach heutigen Gesichtspunkten unwirtschaftlich darstellt. Auf Grund dessen hat sich der Focus des Wasserrecyclings vermehrt auf Teilströme bestimmter Prozesswässer konzentriert. Der Vorteil dieser Teilströme liegt häufig in der einseitigen Belastung was häufig, aus technischer Sicht, eine einstufige Aufbereitung ermöglicht und sich somit aus wirtschaftlicher Sicht interessanter darstellt.
Ein weiterer entscheidender Ansatz des Wasserrecyclings stellt die Verfügbarkeit der entsprechenden Teilströme dar. Da jeder Teilstrom, auf Grund völlig unterschiedlicher Anforderungen an ein Membransystem, separat bzw. mit einer separaten Recyclinganlage aufbereitet werden muss, erklärt sich von selbst, dass für ein wirtschaftlich sinnvolles Wasserrecycling nur Teilströme in Frage kommen, die moderat und einseitig belastet und in hinreichend großen Mengen anfallen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie wesentliche Idee des Vorhabens bestand darin, das gebrauchte Regenerationswasser mit einer Nanofiltrationsanlage aufzubereiten, um damit die Hälfte der anfallenden Wassermenge zurückzugewinnen. Das gewonnene Wasser sollte dann wieder zur Regeneration der Ionenaustauscheranlage eingesetzt werden. In einer Brauerei wurde daher eine halbtechnische Nanofiltrationsanlage mit einer Leistung von etwa 0,5 m3/h installiert. Die Modulgeometrie entsprach dabei der, die auch bei einer großtechnischen Anlage eingesetzt werden würde. Etwa 75 % des bei der Ionenaustauscherregeneration anfallenden Wassers wurde mit verschiedenen Ausbeuten aufbereitet. Mit dem aufbereiteten Wasser wurden versuchsweise Regenerationen der großtechnischen Ionenaustauscheranlage durchgeführt.
Die erzielten Permeatqualitäten wurden untersucht und in Abhängigkeit der eingestellten Parameter wie Ausbeute, Temperatur, Druck und Flux dokumentiert. Die Betriebsdaten wurden für eine verfahrenstechnische Auslegung gesammelt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Verblockungsneigung der Membran, die Konzentratqualität und -entsorgung und die Wirtschaftlichkeit des Ansatzes gelegt.


Ergebnisse und Diskussion

In Pilotierungsversuchen konnten 69% des eingesetzten Regenerationswassers eines schwachsauren Kationenaustauschers wieder zum selben Zweck eingesetzt werden. Als Hauptstörstoffe galt es Calcium- und Magnesiumchlorid aus dem verbrauchten Regenerationswasser zu entfernen. Dabei zeigten sich für Calcium und Chlorid Rückhalteraten an der Membran von über 95%, unabhängig vom Transmembrandruck und der steigenden Konzentration in den Retentaten. Dabei kam es oberhalb des Betriebspunktes zu einer Überschreitung der festgesetzten Calciumkonzentration von 100 mg/l im Permeat. Spülwasserfraktionen oberhalb des Betriebspunktes im Mittel wurden verworfen. Die Druckstufen lagen zwischen 10 und 30 bar.
Die Steuerung der Anlage konnte über einen einfache Leitwertsmessung hinreichend genau geschalten werden, sollte aber individuell für jeden Einzelfall gesondert betrachtet werden. Eine Scalingproblematik bei dieser Anwendung unter der vorherrschenden Wasserqualität war nicht gegeben. Lediglich für Bari-umsulfat wurde das Löslichkeitsprodukt überschritten. Die absolut gesehen geringen Mengen führten jedoch nicht zu einer signifikanten Beeinträchtigung des Flux. Untersuchungen auf Strontiumsulfat zeigten Werte deutlich unter der Grenze des Löslichkeitsproduktes, Untersuchungen des Calciumsulfats führten zu dem Schluss, dass die Löslichkeitsgrenze im Falle höherer Sulfatkonzentrationen im Ausgangswasser im Zuge der Aufkonzentrierung leicht erreicht werden kann. Bei den hier durchgeführten Praxisver-suchen handelte es sich jedoch um ein sulfatarmes Wasser. Es zeigte sich keine scaling-bedingte Fluxabnahme, was Betrachtungen der osmotischen Druckdifferenz in der Systematik belegten.
Die Wiederverwendung des recycelten Wassers zur Regeneration des schwachsauren Kationenaustau-schers führte zu den gleichen guten Ergebnissen bei der Regeneration. Nach jeder Reinigung konnten annähernd gleiche Wasserwerte der Membran erzielt werden. Biologische Untersuchungen des recycel-ten Wassers waren ohne Befund, die Notwendigkeit einer zusätzlichen Desinfektion sollte individuell ge-prüft werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Verfahren und dessen Tauglichkeit zu einem wirtschaftlich interessanten Wasserrecycling wurde im Rahmen der 92. Brau- und maschinentechnischen Arbeitstagung der VLB Berlin vom 7.- 9. März in Enschede, NL erstmalig vorgestellt. Des Weiteren wurde das Projekt in folgenden Fachzeitschriften veröffentlicht:

Kunzmann, C., Teubner, M., Ahrens, A., Schildbach, S.: Im Spannungsfeld zwischen Menge und Kosten, Brauindustrie 10, S. 38 - 42, 2007.
Kunzmann, C., Teubner, M., Ahrens, A., Schildbach S.: Between the Poles and Costs, Brewing and Beveradge Industry International 5, S. 38 - 42, 2007.

Des Weiteren wird das Verfahren im Rahmen von internationalen Brauereifachkursen präsentiert.


Fazit

Der Frischwasserwassereinsatz für die Ionenaustauscherregeneration lag bei der untersuchten Brauerei bei 3,8 % der aufbereiteten Wassermenge. Das bedeutet, dass einem Durchsatz von 390 m3 ein benö-tigtes Spülwasservolumen bei der Regeneration von ? 14,5 m3 gegenübersteht.
Durch die Rückgewinnung von 69 % der eingesetzten Spülwässer war es möglich, den Frischwassereinsatz je Regeneration von 3,8 % auf 1,19 % zu senken. Geht man von einer Brauerei aus, die ihren gesamten Wasserbedarf, also Brau- und Betriebswasser auf diese Weise aufbereitet, ergeben sich erhebliche Einsparmengen die ein interessantes wirtschaftliches und ökologisches Potenzial darstellen. Wie bei den Bilanzierungen festgestellt, ergibt sich auch die Möglichkeit, nur durch eine einfache Stapelung bestimmter Fraktionen Einsparungen zu realisieren.
Es zeigen sich besonders für Brauereien, mit einer jährlichen Ausstoßmenge > 1 Mio. hl Verkaufsbier unter den angenommenen Bedingungen interessante Amortisationszeiten.
Als Gesamtfazit stellt sich das Projekt erfolgreich dar. Es konnte im Rahmen des Projektes nachgewiesen werden, dass mittels Nanofiltration im Bereich der Wasseraufbereitung wirtschaftlich interessante Mengen aus qualitativer Sicht so aufbereitet werden können, dass sie dem gleichen Prozess wieder zugeführt werden konnten.

Die Zusammenarbeit zwischen den Kooperationspartnern stellte sich durchweg positiv dar.