Projekt 21302/01

Innovative Membranverfahren zur Behandlung tensidhaltiger Öl/Wasser-Emulsionen

Projektdurchführung

Gesellschaft für umweltkompatible Prozesstechnik mbH
Im Stadtwald, Geb. 47
66123 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Erprobung des Membranbioreaktor-Verfahrens zur biologischen Regeneration von Entfettungslösungen, um eine Minimierung der Stoffverluste und des Abwasseranfalls gegenüber der alkalischen Heißentfettung (T = 60 °C) zu erreichen, die üblicherweise zur Entfettung metallischer Werkstücke in Galvanikbetrieben eingesetzt wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAusgangspunkt der Verfahrensentwicklung bildete die Charakterisierung sowie die Auswahl von geeigneten keramischen Flachmembranen für den getauchten Betrieb im Bioreaktor. Auf Basis dieser Untersuchungen war ein für das Projekt geeignetes Membranmodul zu konstruieren und zu bauen. Parallel zur Membranauswahl sollte ein Tensidsystem entwickelt und getestet werden, das einerseits die geforderte Entfettungswirkung im betrieblichen Entfettungsbad aufrechterhält, andererseits jedoch die geringste negative Wechselwirkung mit dem ausgesuchten Membrantyp hat. Neben dem Bau einer Pilotanlage - in Abstimmung mit der Modulkonstruktion - sollte in einem insgesamt 6-monatigen Vor-Ort-Versuchsbetrieb das entwickelte Verfahren erprobt werden. Hierfür wurde vorgesehen, die Entfettungsstation einer Prozessbadlinie eines Galvanikbetriebes komplett auf die zu untersuchende Betriebsweise umzustellen. Im Rahmen des Versuchsbetriebs war neben den biologischen Vorgängen zu untersuchen, wie sich der Rückhalt der Membranen für Kohlenwasserstoffe (KW) wie Öle und Fette bzw. die Durchlässigkeit für die Tenside im Langzeitbetrieb verhält. Auch die hydraulische Leistungsfähigkeit der Membranen sollte noch weiter optimiert werden. Letztendlich war das entwickelte Verfahren auch dahingehend zu beurteilen, inwiefern die Umstellung der Entfettungsstation einen Einfluss auf die Qualität der Entfettungswirkung hat. Abschluss des Vorhabens sollte eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung darstellen, woraus Potenziale über den Einsatz des Verfahrens für unterschiedliche Anwender abgeleitet werden können.


Ergebnisse und Diskussion

Zum Einsatz kamen keramische Mehrkanal-Flachmembranen, welche getaucht in dem Bioreaktor installiert werden. Im Rahmen von Laboruntersuchungen wurden Membranmuster zweier Herstellerfirmen auf ihre Tauglichkeit für diese spezielle Trennaufgabe untersucht und unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien auch ausgewählt. Die optimale Betriebsweise der Membran und auch die effektivste chemische Reinigungsstrategie unter realistischen Betriebsbedingungen wurde evaluiert. Auf Basis dieser Untersuchungen und unter Berücksichtigung von konstruktiven Randbedingungen wurde ein für den Pilotbetrieb geeignetes Membranmodul gebaut. Neben Packungsdichte und den hydrodynamischen Verhältnissen musste besonders die Art Einklebung der Membran (Verbindung Membran/Modul) berücksichtigt werden, wobei sich nur ein Kleber aus einer Reihe untersuchter als geeignet herausstellte. Zeitgleich zu den Laboruntersuchungen wurde ein Tensidsystem ausgesucht, zusammengestellt und erfolgreich in Vorversu-chen unter realen Bedingungen bei der Fa. Sessler getestet. Damit wurde die optimale Entfettungswirkung erreicht und zugleich wurden keine Membranschäden verursacht. Mit Umstellung der alkalischen Heißentfettung auf das Membranbioreaktor-Verfahren (bei 40 °C und pH-Werten zwischen 8 und 9,5) und einem Tensidsystem bestehend aus dem Reiniger Kleanex P-1072 in Kombination mit dem Tensidzusatz Kleanex P-1008K (beides Produkte des Projektpartners Fa. Kunz) wurden die Ziele erreicht.
Die Ergebnisse des Vor-Ort-Probetriebs zeigten, dass mit der ausgewählten Membran ein stabiler und zuverlässiger Langzeitbetrieb unter Praxisbedingungen möglich ist. Hinsichtlich der Reinigungsleistung des Membranbioreaktors wurden alle Anforderungen eingehalten. Im Permeat konnten keine Feststoffe nachgewiesen werden, was die Integrität der Membran belegt. Damit ist auch sichergestellt, dass keine Verschleppung von Biomasse in das Entfettungsbad und nachfolgende Prozesse stattfindet. Bezogen auf Kohlenwasserstoffe betrug die Reinigungsleistung des verwendeten Membranbioreaktors über 85 %, wobei die KW-Reduktion sowohl durch den biologischen Abbau des Öls als auch durch den KW-Rückhalt der Membranen bewirkt wurde. Trotz einer deutlichen Aufkonzentrierung der KW im Bioreaktor wurde eine konstant gute Permeatqualität mit KW-Gehalten von < 70 mg/l erreicht.
Der Rückhalt der Membranen für die nichtionischen Tenside lag - wie angestrebt - deutlich niedriger, so dass die nichtionischen Tenside in der Aufbereitungsanlage durchschnittlich lediglich um 20 % reduziert wurden. Der Permeatfluss der keramischen Membranen lag im Durchschnitt bei 5 l (m2h). Durch Modifizierung des Rückspülvorgangs und der Art der Überströmung der Membranen konnte letztlich ein konti-nuierlicher Permeatfluss von 8 l (m2h) erreicht werden - bei gleichzeitiger Energieeinsparung von ca. 70 %.
Mit Umstellung des Entfettungsprozesses von einer herkömmlichen Heißentfettung auf das Membranbio-reaktor-Verfahren (in Kombination mit dem entwickelten Tensidsystem) zeigte sich, dass die Wirkungs-weise des Entfettungsbades mindestens genauso gut zu bewerten ist. Eine wesentliche Verschleppung von nicht emulgierten KW in nachfolgende Prozessstufen konnte nicht nachgewiesen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Erste Untersuchungsergebnisse und Betriebserfahrungen mit der Pilotanlage wurden auf dem 10. Aachener Membran-Kolloquium im März 2005 präsentiert und in den dazugehörigen Preprints veröffentlicht. Im Mai 2005 wurden Ergebnisse im Jahresbericht der upt GmbH veröffentlicht. Weitere Publikationen in wissenschaftlichen und auch branchenspezifischen Zeitschriften sind in Vorbereitung.


Fazit

Das Membranbioreaktor-Verfahren zur biologischen Regeneration von Entfettungslösungen konnte vom Labor- in den technischen Maßstab überführt werden und wurde unter realen Bedingungen in einem Gal-vanikbetrieb erfolgreich erprobt. Das Verfahren bietet eindeutig neben ökonomischen auch ökologische Vorteile gegenüber der herkömmlichen Heißentfettung. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist davon auszugehen, dass die bei den Untersuchungen erzielten Ergebnisse grundsätzlich auf die Branche übertragbar sind.