Ausgewählte größere, abgeschlossene Projekte/Stipendien seit September 2017

Salzwasseraufbereitung zur Injektion in hydraulischen Barrieren

Förderzeitraum: 01.01.2018 bis 31.12.2020

© EU/Freistaat Sachsen

Im Rahmen der Arbeit werden zur Zurückdrängung der Salzwasserintrusion durch „Mixed Hydraulic Barriers“ (MHB)  Verfahren für die Entsalzung salzhaltigem Grundwasser charakterisiert. Dafür bedarf es der folgenden Arbeitsschritte, welche die verschiedenen Aspekte im Einzelnen aufgreifen.

Zu Beginn der Arbeit werden durch eine Recherche die Gebiete typischer von Salzwasserintrusion betroffener Regionen beschrieben und der Untersuchungsraum bezüglich der Rahmenbedingungen wie z.B. die soziale Struktur, die zur Verfügung stehende Energie und die Qualität des Grundwassers charakterisiert. Mit diesem Hintergrundwissen werden verschiedene Entsalzungsverfahren für die Anwendung der Aufbereitung des salzhaltigen Grundwassers für unterschiedliche technische, ökologische und sozio-ökonomische Rahmenbedingungen untersucht. Da für die Zurückdrängung der Salzwasserintrusion von einer hohen aufzubereitenden Wassermenge ausgegangen werden muss, werden in der Arbeit die Ausbeute als quantitativer Faktor und die Leitfähigkeit als qualitativer Faktor als maßgebliche Bewertungskennzahlen für die Eignung der betrachteten Entsalzungsverfahren genutzt.

Die Entsalzung ist ein industrieller Prozess, welcher sowohl chemisch, energetisch als auch operativ aufwändig ist. Bei allen in Frage kommenden Entsalzungstechnologien wird das Salzwasser in zwei Stoffströme aufgeteilt: dem entsalztem Wasserstrom und dem aufkonzentrierten Wasserstrom (Konzentrat). Nach Lattemann (2011) haben sich bei der Meerwasserentsalzung vor allem die mehrstufige Entspannungsverdampfung (engl.: Multi Stage Flash Distillation, MSF) mit einem Marktanteil von 50 % und als Membranverfahren die Umkehr­osmose (UO) mit einem Marktanteil von 35 % zur Trinkwasseraufbereitung etabliert.

Bei der thermischen MSF wird unter Vakuum und hohen Temperaturen das Salzwasser verdampft und über mehrere Stufen als salzfreies Kondensat aufgefangen. Wird nicht nur die Meerwasserentsalzung betrachtet, sondern die Entsalzung der Gesamtheit verschiedener Wasserströme (inkl. Brack- und Abwasser), so ist die UO das meist angewandte Verfahren. Bei diesem druckbetriebenen Verfahren wird Salzwasser zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohen Druck durch eine semipermeable Membran gepresst. Durch die Filterwirkung können dabei nur wenige Ionen durch die Membran permeieren. Vorteile des Verfahrens liegen in den vergleichbar geringen Kosten (0,5…1 US$) und in der Anwendungsmöglichkeit von regenerativen Energien, wie z.B. Solar- und Windenergie, die in elektrische Energie umgewandelt werden können. Nachteile der UO liegen im Bedarf einer Vorbehandlung, der hohen Wartungsempfindlichkeit und einer begrenzten Lebensdauer. So müssen wegen der Scaling- und Foulingprozesse regelmäßig druckgesteuerte chemische Reinigungen durchgeführt werden (Khawaji et al.; 2008, Lattemann, 2011; IEA-ETSAP & IRENA, 2012).

Als zukünftig relevantes und wartungsärmeres Entsalzungsverfahren gilt die Membrandestillation (Winter et al., 2011). Hier wird als Triebkraft ein Temperaturgradient genutzt, bei dem nur die dampfförmige Phase die hydrophobe Membran permeieren kann. Dieses Verfahren kann nach Koschikowski et al. (2003) auch dezentral angewendet werden. Vorteil dieses Verfahrens ist der hohe Rückhalt, der geringe Wartungsaufwand und der geringe Energiebedarf wenn bspw. Solarthermie für die Erwärmung des Salzwassers oder andere direkt verfügbare Wärmequellen genutzt werden können.

Um eine ökonomisch sinnvolle Entsalzung bei hohen Volumenströmen garantieren zu können, werden in der Arbeit einerseits die Anwendung innovativer Technologien für die Nutzung von verschiedenen erneuerbaren Energien, wie Solarthermie, Photovoltaik, Windenergie oder Geothermie und andererseits die (Wieder)-Verwendung des Konzentrates berücksichtigt.

© Hanna Rosentreter

Aufbauend auf der Auswertung der Literaturrecherche und der Untersuchung von Anwendungs- und Umsetzungsmöglichkeiten ausgewählter Entsalzungsverfahren wird in der Modellentwicklung, anhand der Randbedingungen im Untersuchungsgebiet und der technischen, ökologischen und sozio-ökonomischen Rahmenbedingungen für die Anwendung geeigneter Entsalzungsverfahren die Qualität und Quantität des entsalzten Grundwassers berechnet. Anschließend erfolgt die Bilanzierung und Integrierung der Kosten für die Entsalzung unter den im Modell integrierten Bedingungen. Dabei wird u. a. untersucht, in welchem Fall eine hohe Entsalzungsquote und eine anschließende Verschneidung mit salzhaltigem Grundwasser oder ein geringerer Salzrückhalt für die Injektion kostengünstiger ist. Eine Validierung des Modells erfolgt anhand von Fallbeispielen.

Basierend auf diesen Ergebnissen werden in der Arbeit die Einsatzmöglichkeiten und die Grenzen der Entsalzungsverfahren zur Injektion in den Grundwasserleiter zur Zurückdrängung der Salzwasserintrusion untersucht. Ziel ist es, in der Arbeit die folgenden Fragestellungen ausführlich beantworten zu können:

• Welche Ausbeute/Rückhalt ist mit welchen hydroverfahrenstechnischen Entsalzungsmethoden ökonomisch und ökologisch sinnvoll und wo sind die verschiedenen Varianten realisierbar?
• Welche Investitionskosten und Betriebskosten sind zu erwarten?
• Welche Möglichkeiten können für die Nutzung regenerativer nachhaltiger Energie angewendet werden?
• Wie können die Prinzipien einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft durch die Nutzung der entstehenden Abfallprodukte sinnvoll umgesetzt werden?

Literatur

• IEA-ETSAP& IRENA (2012). Water desalination using renewable energy. Technology Brief, International Energy Agency-Energy Technology Systems Analysis Programme & International Renewable Energy Agency. URL: http://www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/Water_Desalination_Using_Renewable_Energy_ -_ Technology_Brief.pdf [letzter Zugriff: 19.06.2017].
• Khawaji, A., D., Kutubkhanah, I. K., Wie, J.-M., (2008). Advances in seawater desalination technologies. Dessalination 221, 47-69. doi:10.1016/j.desal.2007.01.067.
• Koschikowski, J., Wieghaus, M., Rommel, M. (2003). Solar thermal driven desalination plants based in membrane distillation. Water Science and Technology: Water Supply. 3, 5–6 S. 49–55. IWA Publishing 2003.
• Lattemann, S. (2001). Meerwasserentsalzung. In: Lozán, J- L., Graßl, H., Karbe, L, Hupfer, P., Schönwiese, C.-D., (2001) Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Climate Service Center. URL: http://www.climate-service-center.de/products_and_publications/publications/detail/062586/index.php.de [letzter Zugriff: 19.06.2017].
• Winter, D., Koschikowski, M. Wieghaus, M. (2011). Desalination using membrane distillation: Experimental studies on full scale spiral wound modules. Journal of Membrane Science 375, 104-112. Doi: 10.1016/j.memsci.2011.03.030.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

Entwicklung von Verfahrensstrategien zur energieeffizienten Aufbereitung von salzhaltigen Abwässern unter Verwendung hydrophober keramischer Membranen in der Membrandestillation

Förderzeitraum: 01.09.2017 - 31.08.2020 

© DBU/IKTS

Die Bedeutung und der Wert von Wasser wurden in den letzten Jahren aufgrund des rapiden globalen Bevölkerungswachstums, der stark zunehmenden Industrialisierung und Urbanisierung, der steigenden Nahrungsmittelproduktion, der Auswirkungen des Klimawandels sowie eines international wachsenden Lebensstandards immer wieder hervorgehoben (Gude, 2015).

Diese angespannte Situation wird dadurch intensiviert, dass die knappen und den Menschen nur begrenzt zugänglichen natürlichen Frischwasserressourcen oftmals einer Verschmutzung durch industrielle oder kommunale Prozesse ausgesetzt sind (Belessiotis et. al, 2016). Prozessabwässer, die nach einer nicht ausreichenden Aufbereitung in ein Gewässer eingeleitet werden, können zu langfristigen Schäden führen, denen zu einem späteren Zeitpunkt mit großem Aufwand begegnet werden muss. Ein regionales Beispiel dafür ist die Kontamination der Werra und der Grundwasseraquifere im Bundsandstein in Westthüringen mit hoch-salzhaltigen Laugen aus dem Kalibergbau (Henkel, 1961; Bartsch & Fröhlingsdorf, 2009).

Eine erweiterte Abwasseraufbereitung bis hin zur Kreislaufschließung erfordert technisch anspruchsvolle Lösungen unter oftmals hohem Energieeinsatz, bietet für viele Industrien aber auch eine Reihe attraktiver Vorteile. Die Rückgewinnung von Wertstoffen (Edelmetalle, Nährstoffe), die Produktion und Rückgewinnung von frischem bzw. hochreinem Wasser für betriebsinterne Herstellungsprozesse (z. B. pharmazeutische und mikroelektronische Industrie, Energiewirtschaft) sowie eine Stärkung der Corporate Identity im Rahmen eines aktiven Beitrages zum Umweltschutz sind Beispiele (Theobald, 2015).

Es existiert eine Reihe von konventionellen Technologien, die in Abhängigkeit von den Bedingungen vor Ort geeignet sein können, um den oben beschriebenen Anforderungen gerecht zu werden. Zu diesen Technologien gehören Destillationsverfahren (z.B. mehrstufige Entspannungsdestillation MSF und Multieffektdestillation MED), Membranverfahren wie Elektrodialyse, Nanofiltration (nur Teilentsalzung) und Umkehrosmose, Ionenaustauschersysteme und Hybridprozesse.

So hoch die Motivation eines Betriebes in Bezug auf die oben beschriebenen Aufbereitungsziele auch sein mag, so kann die geforderte Kompromissbereitschaft eines Unternehmens, entweder hinsichtlich der Produktwasserqualität und -quantität oder der Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens, gegen die Implementierung umweltschonender und kreislaufschließender Abwasseraufbereitungssysteme sprechen.

Ein Beispiel sind hoch-salzhaltige Systeme, die mit den oben genannten Methoden meist nicht hinreichend effektiv behandelt werden können. Für solche Gemische bietet das noch relativ neue und noch nicht vollends kommerzialisierte Verfahren der Membrandestillation (MD) einige der Vorteile konventioneller Destillationsprozesse:

• sehr hohe Produktwasserqualitäten,
• geringe Abhängigkeit der Produktwasserqualität und der Ausbeuten von der Rohwasserbeschaffenheit (Solen und Konzentrate können behandelt werden und ermöglichen Kreislaufschließung),
• kaum Vorbehandlung des Rohwassers nötig (Al-Karaghouli & Kazmerski, 2012).

Diese werden mit der vergleichsweise guten Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit von membranbasierten Trennverfahren, die zudem in einer Modulbauweise realisiert werden können, verknüpft. Zusätzlich kann die Membrandestillation, deren Triebkraft (Partialdruckdifferenz) über eine Temperaturdifferenz zwischen Feed- und Permeatseite generiert wird, über Niedertemperaturabwärme aus Industrieprozessen betrieben werden. Damit positioniert sich die Membrandestillation als ökonomisches aber auch ökologisch attraktives Verfahren, dass für einige Industrien, sei es zur Aufbereitung hoch salzhaltiger Abwässern, zur Entfernung flüchtiger Substanzen aus dem Abwasser, zur Produktion von hochreinem Wasser oder zur Wertstoffrückgewinnung, vielversprechende Ansätze mitbringt.

Bisher wurden nahezu ausschließlich hydrophobe organische Membranen in der Membrandestillation erprobt. Besonders hydrophobe polymere Membranmaterialien sind z.B. PP und PTFE. Für spezielle Anwendungen in Verbindung mit aggressiven oder lösemittelhaltigen Abwässern (AMTA, 2014; Guizard & Stevenson, 2015) oder in Verbindung mit höheren Temperaturen können Polymermembranen für einen Einsatz in der Industrieabwasseraufbereitung ungeeignet sein. Für solche Prozesse bieten keramische Membranen aufgrund ihrer sehr guten thermischen, mechanischen und chemischen Stabilität sowie ihrer geringeren Foulingsensitivität für die Aufbereitung aggressiver (extreme pH-Werte, hohe Temperaturen, Anwesenheit von Oxidatoren wie freies Chlor, hohe Ölgehalte) und/oder foulingfördernder Abwasserströme Vorteile (Guizard & Stevenson, 2015; Lee et. al, 2015; Benfer et. al, 2004). Neben dem Einsatz bei den genannten aggressiven Wässern ist die Membrandestillation mit keramischen Membranen insbesondere bei den folgenden Bedingungen interessant:

• Vorhandensein von Abwärmenutzungspotenzialen (Nutzung als Triebkraft)
• Erzeugung von hochreinem Prozesswasser für Produktionsprozesse
• Aufbereitung sehr salzhaltiger Abwasserströme
• Vorhandensein von Wertstoffrückgewinnungspotentialen

Zurzeit gibt es weder polymere noch anorganische Membranen, die ausschließlich für einen Einsatz in MD-Anwendungen konzipiert wurden (Essalhi & Khayet, 2015). Genauso wenig existiert ein standardisiertes Vorgehen zur Charakterisierung hydrophober keramischer Membranen.

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist neben der Charakterisierung die Testung von potentiell geeigneten hydrophoben anorganischen Membranen in MD-Prozessen und eine daran angelehnte Verfahrensoptimierung. Hierbei wird insbesondere die energieeffiziente Entsalzung industrietypischer Abwässer in Aussicht gestellt. In Frage kommende Membranen befinden sich aktuell am Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in der Entwicklung. Über eine ausführliche Charakterisierung unterschiedlich aufgebauter anorganischer Membranen innerhalb des hier beantragten Forschungsvorhabens kann gezielt Einfluss auf die Membranentwicklung genommen werden. Ausgewählte Membranen sollen intensiv durch eine breite Variation der Prozessparameter in der MD erprobt, aber auch hinsichtlich ihres Alterungsverhaltens im Rahmen von Langzeit- und Autoklav-Versuchen betrachtet werden. Die Ergebnisse werden auch mit den Trennleistungen von Polymermembranen verglichen. Hierbei werden sich die anorganischen Membranen an den bereits kommerziell vorhandenen Systeme/Membranen messen lassen müssen. Für ausgewählte Anwendungsfälle mit besonderen Anforderungen wird der Einsatz der anorganischen Membranen durch Versuche mit realen Gemischen evaluiert. In den Versuchsreihen sollen möglichst optimale Parameter für eine energetisch effiziente Verfahrensweise gefunden werden. Nach Möglichkeit sollen des Weiteren geeignete Verfahrenskombinationen (z.B. MD + Kristallisation) erprobt werden, um eine Wertstoffrückgewinnung zu ermöglichen und den Nachhaltigkeitsansatz weiter zu verstärken.

Literatur

• Al-Karaghouli, A.; Kazmerski, L. (2012). Comparison of Technical and Economic Performance of the main Desalination Processes with and without Renewable Energy Coupling. Conference Proceedings of the World Renewable Energy Forum, 13-17 May 2012, Denver, Colorado.
• AMTA [Eds.] (2014). Ceramic Membranes. (FS-21), Nov. 2014, American Membrane Technology Association (AMTA).
• Bartsch, M.; Fröhlingsdorf, M. (2009). Alarm am Monte Kali. Der Spiegel Nr. 35, S. 42–44.
• Belessiotis, V.; Kalogirou, S.; Delyannis, E. (2016). Thermal Solar Desalination: Methods and Systems. Amsterdam, Boston, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo: Elsevier Ltd.
• Benfer, S.; Árki, P.; Tomandl, G (2004). Ceramic Membranes for Filtration Applications - Preparation and Characterization. Adv. Eng. Mater. 6 (7), S. 495–500.
• Essalhi, M.; Khayet, M. (2015). Fundamentals of membrane distillation. In: Basile, A.; Figoli, A.; Khayet, M. (Eds.): Pervaporation, vapour permeation and membrane distillation - Principles and applications. Amsterdam, Boston, Cambridge, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo: Elsevier Ltd, S. 277–316
• Gude, V. G. (2015). Energy storage for desalination processes powered by renewable energy and waste heat sources. Applied Energy 137, S. 877–898.
• Guizard, C.; Stevenson, A. (2015). Ceramic Membranes Technology: Current Applications and Future Development. In: Pabby, A.; Rizvi, S.; Requena, A. (Eds.): Handbook of Membrane Separations. Boca Raton, London, New York: CRC Press, S. 215–258.
• Henkel, G. (1961). Trinkwasseranalysen und Karies im Kalibergbaugebiet Westthüringens. Archives of Oral Biology 4, S. 204–211.
• Lee, M.; Wu, Z.; Li, K. (2015). Advances in ceramic membranes for water treatment. In: Basile, A.; Cassano, A.; Rastogi, N. K. (Eds.): Advances in membrane technologies for water treatment. Materials, processes and applications. Amsterdam, Boston, Cambridge, Heidelberg, London, New York, Oxford, Paris, San Diego, San Francisco, Singapore, Sydney, Tokyo: Elsevier Ltd, S. 43–82.
• Theobald, D. I. (2015): Wastewater - Water Use Management. Why and How to Recycle and Reuse Wastewater. Water Today, October 2015, S. 72-74.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

Wismut GmbH

Konzeption und Auswertung des Pilotanlagenbetriebs zur Membranfiltration von Abstoßwässern der Wasserbehandlungsanlage Ronneburg der Wismut GmbH

© WISMUT

Förderzeitraum:
01.06.2019 - 31.01.2020

Aufgabenstellung/Projektinhalt:

Gruben- und Sickerwässer werden an Wismut-Standorten in Wasserbehandlungsanlagen (WBA) gereinigt und als sogenanntes Abstoßwasser abgegeben. Bei der derzeit in allen WBA betriebenen Kalk- und/oder Eisenfällung werden Radionuklide und Schwermetalle abgetrennt, jedoch bleiben die Konzentrationen an Härtebildner, Sulfat und Chlorid weitestgehend unverändert. Zur Verbesserung der Salzabtrennung werden kombinierte Membranfiltrationsverfahren, das heißt Ultrafiltration (UF) mit nachgeschalteter Nanofiltration (NF) oder Umkehrosmose (UO), in einer Pilotanlage auf ihre Eignung zur Salzabtrennung aus WISMUT-Abstoßwässern getestet. Es sollen Tests zur Kolloidvorabtrennung durchgeführt und insbesondere die UF hinsichtlich eines stabilen Anlagenbetriebes untersucht werden.

Ziel des Vorhabens ist daher die Ermittlung von Betriebsparametern für die Membranfiltration von WBA-Abstoßwässern zur Salzabtrennung aus WBA-Abstoßwässern. Die wissenschaftliche Unterstützung der Laborversuche zur Kolloidvorabtrennung sowie die wissenschaftliche Planung und Auswertung des Pilotversuchs sind Gegenstand der wirtschaftlichen Zusammenarbeit.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

Einsatzmöglichkeiten und Leistungsfähigkeit der Vorwärtsosmose in der Industriewasserwirtschaft

Förderzeitraum: 01.10.2016 - 30.09.2019

© EU/Freistaat Sachsen

Im Rahmen der Arbeit werden die Leistungsfähigkeit und das Betriebsverhaltens der Vorwärtsosmose untersucht, die in Deutschland bisher nicht für die Aufbereitung industrieller Abwässer eingesetzt wird. Dafür wurden Industriebereiche ausgewählt, deren Prozesswässer aus wirtschaftlichen Gründen bisher nicht wiederverwendet oder mit energieintensiven Verfahren aufbereitet werden. Um das breite Anwendungsspektrum im verarbeitenden Gewerbe abzubilden, werden folgende Industriebereiche betrachtet:

• Herstellung von Nahrungs- und Futtermitteln,
• Herstellung von Papier und Pappe und Waren daraus,
• Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen,
• Metallerzeugung und -bearbeitung sowie
• Herstellung von Metallerzeugnissen.

© HVT

Mit der geleisteten Arbeit wird ein Beitrag zur Technologiebeschreibung und Technologieweiterentwicklung der Vorwärtsosmose für den Einsatz in der industriellen Praxis geleistet, um ein nachhaltiges und ökonomisch vorteilhaftes Verfahren zur industriellen Prozesswasserbehandlung zu etablieren. In Voruntersuchungen werden dafür zunächst Wässer der genannten Industriebranchen untersucht und hinsichtlich potenziell relevanter Parameter für die Vorwärtsosmose analysiert (pH-Wert, Leitfähigkeit, Salzgehalt, Gehalt organischer Inhaltsstoffe, Gehalt an Fouling- und Scalingbildnern (Scaling: Anlagerung von auskristallisierten Salzen an der Membran), Partikelart und -konzentration). Anschließend erfolgt eine Systematisierung dieser Wässer nach den genannten Parametern, um eine für die untersuchten Branchen repräsentative Auswahl an Wässern zur Versuchsdurchführung zu treffen. Diese Wässer dienen im Vorwärtsosmose-Prozess als Feed Solution, wobei die Draw Solution eine kostengünstige, konzentrierte Salz-Lösung ist. Parallel zu den Voruntersuchungen erfolgen Planung, Fertigung undAufbau einer Versuchsanlage im Labormaßstab. Kernstück ist eine Membrantestzelle zur Prüfung und Charakterisierung unterschiedlicher Membranen sowie zu Eignungsversuchen mit verschiedenen Wässern als Feed Solution.

Die anschließenden experimentellen Untersuchungen erfolgen hinsichtlich der eingesetzten Wässer und der eingesetzten Membranmaterialien. Dafür werden die in den Voruntersuchungen charakterisierten Wässer mit kommerziell verfügbaren Vorwärtsosmose-Membranen, herkömmlichen Umkehrosmose-Membranen sowie Neuentwicklungen behandelt. Die Ergebnisse dienen der Beurteilung von Leistungsfähigkeit und Betriebsverhalten der entsprechenden Membranen. Folgende Faktoren werden für die Beurteilung untersucht und erfasst:

• Druckverlust über die Membran,
• Volumenströme der Feed und Draw Solution sowie deren Veränderung durch Messung der Massedifferenzen,
• Grad der Aufkonzentrierung der Feed bzw. Verdünnung der Draw Solution sowie des „Schlupfes“ von gelösten Stoffen durch die Membran anhand von Leitfähigkeitsmessungen und Einzelstoffanalytik,
• Fouling und Scaling auf der Membranoberfläche,
• Stoffliche Zusammensetzung der Feed und Draw Solution sowie der Deckschicht,
• Strukturelle Änderungen der Membran durch Membranautopsie,
• Überströmungsgeschwindigkeiten an den Membranoberflächen,
• Möglichkeiten zur Membranreinigung.

Die Versuchsauswertung erfolgt laufend und in Abstimmung mit den beteiligten Partnern aus der Industrie. Für eine anwendungsorientierte Zusammenfassung erfolgt die theoretische Beschreibung der Ergebnisse mithilfe eines entwickelten Transportmodells. Es beschreibt den diffusiven und konvektiven Transport von gelösten Stoffen durch die Vorwärtsosmose-Membran unter Berücksichtigung des Einflusses und der Wechselwirkungen von Material- und Stoffparametern. Das entwickelte und validierte Modell wird dann zur Auslegung neuer Anlagenparameter genutzt.

Basierend auf den Versuchs- und Modellergebnissen werden Einsatzmöglichkeiten und Grenzen als Leitfaden für Unternehmen zum Einsatz der Vorwärtsosmose bei der Aufbereitung industrieller Wässer formuliert. Dazu erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zur vergleichenden Beurteilung gegenüber den aktuell in der Industrie eingesetzten Verfahren. Abschließendes Ziel ist es, auf Grundlage der Wasserinhaltsstoffe eines Prozesswassers, folgende wichtige Fragen zum Einsatz der Vorwärtsosmose schnell beantworten zu können:

• Welche Wasserausbeute bzw. welche Aufkonzentrierung ist realisierbar?
• Welches Membranmaterial ist geeignet?
• Welche Betriebsparameter müssen eingestellt werden (Fließgeschwindigkeiten, Volumenströme, Reinigungs- und Rückspülintervalle)?
• Welche Vorbehandlung ist ggf. notwendig?
• Welche Investitions- und Betriebskosten sind zu erwarten?

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

Optimierung des Impulsverfahrens für die Anwendung in der Trinkwasseraufbereitung (OxIDant)

Förderkennzeichen: 3000640376 - 100240188

Förderzeitraum: 01.03.2016 - 31.05.2019

© EU/Freistaat Sachsen

Projektinhalt

Ziel des Forschungsprojekts ist die Weiterentwicklung eines neuartigen Verfahrens zur Oxidation organischer Wasserinhaltsstoffe in der Trinkwasseraufbereitung unter Anwendung des Hochspannungsimpulsverfahrens .

Das Impulsverfahren basiert auf der Bildung eines kalten Plasmas (ionisiertes Gas bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck) durch den Eintrag extrem kurzer Hochspannungsimpulse in ein Wasser-Luft-Gemisch. Bei diesem Prozess kommt es zur Bildung hochreaktiver Radikale sowie Ozon. Diese werden am Ort der Generierung in das zu behandelnde Rohwasser eingetragen, wo sie unerwünschte organische Wasserinhaltsstoffe angreifen und abbauen.

Die wissenschaftlichen Grundlagen zum Impulsverfahren wurden im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojekts „Innovative Hochspannungsimpulstechnik und deren Anwendung zur Eliminierung anthropogener Spurenstoffe im Trink- und Abwasser“ (FKZ KF2088005MKL0) bereits erarbeitet. Weiterer Forschungsbedarf besteht hinsichtlich der Untersuchung des Abbauverhaltens von Wasserinhaltsstoffen, die in der Trinkwasseraufbereitung von besonderer Relevanz sind (wie z.B. Huminstoffe bei der Aufbereitung von Oberflächenwasser). Weiterhin wird geprüft, ob das Impulsverfahren im Bezug auf Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit eine sinnvolle Ergänzung oder Alternative zu konventionellen Verfahren darstellt.

Anhand des Forschungsbedarfs definieren sich die Arbeitsziele damit wie folgt:

• Es wird bewertet, inwieweit die Anwendung des Impulsverfahrens zur Verbesserung der Trinkwasserqualität beitragen kann.
• Es wird ein Konzept für eine verfahrenstechnisch optimierte großtechnische Umsetzung des Impulsverfahrens erarbeitet.
• Es erfolgt eine Bewertung des Impulsverfahrens im Vergleich zu konventionellen Aufbereitungstechnologien unter Berücksichtigung wissenschaftlicher, anlagentechnischer und betriebswirtschaftlicher Kriterien.

Um die anvisierten Ziele zu erreichen, sind folgende Untersuchungen vorgesehen:

• Konzeption und Aufbau einer Pilotanlage für den Einsatz in einer Trinkwasseraufbereitung,
• Durchführung und Auswertung von Versuchsreihen an der Pilotanlage,
• Optimierung der Pilotanlage hinsichtlich elektrotechnischer und hydraulischer Auslegung und
• vergleichende Bewertung des Impulsverfahrens.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

FlexMemHybrid

© WTA

Förderzeitraum:
01.08.2017 - 30.11.2018

Aufgabenstellung/Projektinhalt:
Die Wasserressourcen werden verstärkt durch anthropogene Schadstoffemissionen von Industrie und Kommunen belastet (z.B. Mikroschadstoffe). Neben der Verminderung des Schadstoffeintrags stellt die Schließung industrieller Wasserkreisläufe durch neue technische und wirtschaftliche Lösungen mit geringem Platzbedarf, einfachem Handling, hohem Wirkungsgrad und großer Kapazität eine Möglichkeit der effizienten Ressourcennutzung dar. Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt zielt demgemäß auf ein flexibles Wasseraufbereitungssystem auf der Basis eines innovativen modularen Membranhybridverfahrens. Im Fokus steht dabei die verfahrens- und anlagentechnische Integration von Adsorptions-, Ionenaustauscher- und Reaktionsmodulen in ein getauchtes Ultrafiltrations-Membransystem. FlexMemHybrid zeichnet sich durch geringen Platzbedarf und schnelle Integration der einzelnen Reinigungsstufen und leichter Regenerierbarkeit bzw. Wechsel der modularen Einheiten aus. Darüber hinaus werden die Erfordernisse von "Industrie 4.0" in Produktion und Betrieb von FlesMemHybrid umgesetzt.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

Verfahrenstechnische Untersuchungen zur Arsenentfernung an der IAA Bielatal

© PROWA

Förderzeitraum:
01.08.2018 - 15.10.2018

Aufgabenstellung/Projektinhalt:

Die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV) verwaltet am Standort des ehemaligen Zinnerzbergwerkes Altenberg/Osterzgebirge die ehemalige industrielle Absetzanlage (IAA) Bielatal. Für das aus der IAA Bielatal abzuleitende Sickerwasser soll der Arsengehalt vor Einleitung in die Biela verringert werden. Es ist beabsichtigt eine Anlage zur Reduzierung der Arsenbelastung zu errichteten. Für die Planung und Errichtung der Aufbereitungsanlage an der IAA Bielatal sind begleitende verfahrenstechnische Versuche für die optimierte Bemessung der Wasseraufbereitung und Schlammbehandlung sowie zur belastbaren Auswahl eines Aufbereitungsverfahrens sowie eines Verfahrens zur maschinellen Schlammentwässerung erforderlich.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.

Energieeffizienz im Heatset-Rollenoffset-Druck (EHROD)

Förderkennzeichen: 03ET1329A

Förderzeitraum: 01.10.2015 - 30.06.2018

© BMWI/PTJ

Projektinhalt

Der Heatset-Rollenoffset-Druck ist das weltweit verbreiteteste Druckverfahren für den Druck von Zeitschriften, Katalogen und Werbebroschüren bei mittleren bis großen Auflagen. Aus energetischer Sicht bietet der Heatset-Rollenoffset-Druck erhebliche Verbesserungsmöglichkeiten. Aufgrund des Anstiegs der Energiekosten an den Herstellkosten (3 % auf 10 % in den letzten 10 Jahren) und aus ökologischen Gründen ist die Druckindustrie daran interessiert, die Effizienz des energieintensiven Trocknungsprozesses des Heatset-Rollenoffset-Druckverfahrens zu steigern. Dabei ist primär an der Beheizung der Trockner anzusetzen, die bisher durch Verbrennungsgas aus der Erdgas- und Lösemittelverbrennung erfolgt.

Ein viel versprechendes und völlig neues Konzept stellt die Umstellung des Trocknungsprozesses auf eine indirekte Beheizung mit Prozessdampf aus einer flexiblen Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) basierend auf einem integrierten Gas-Dampf-(GiD)-Prozess dar. Die Beheizung des Trockners mittels Dampf aus einer GiD-Anlage hat dabei weiterhin den Vorteil, dass Wärmebedarfsschwankungen keine Rückwirkungen auf die Effizienz der KWK-Anlage haben.

Der GiD-Prozess wurde an der TU Dresden im Rahmen eines durch das BMWi geförderten Projektes (FKZ 0327485A) untersucht, und in einer mittelständischen Druckerei bietet sich nunmehr die Möglichkeit einer Umsetzung dieser KWK-Technologie in Verbindung mit einer weiteren Energieeffizienzmaßnahme im industriellen Umfeld.

Das Vorhaben EHROD soll dazu dienen, diese neue Trocknungstechnologie verfahrens- und anlagentechnisch sowie bezüglich der Betriebsführung zu untersuchen und zu optimieren, um ihre technische Umsetzung im Heatset-Rollenoffset-Druck und auch darüber hinaus vorzubereiten.

Zur Erreichung der Zielstellung des Vorhabens sollen theoretische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. Für die experimentellen Untersuchungen stehen an der TU Dresden eine GiD-Versuchsanlage mit Prozesswasserrückgewinnung und in der genannten Druckerei Versuchstrockner zur Verfügung, die aus dem Umbau von herkömmlichen Trocknern resultieren, ohne dass eine Entwicklung mit hinreichender Berücksichtigung ihrer Systemintegration und entsprechender wissenschaftlicher Begleitung stattgefunden hat. An diesen dampfbeheizten Versuchstrocknern sollen Untersuchungen zur Bestimmung optimaler Betriebsparameter für eine hohe Qualität der Druckerzeugnisse mit minimalem Energieeinsatz durchgeführt werden. Auf Basis der Versuchsergebnisse sollen Konzepte für die nächste Trocknergeneration entwickelt werden. Entsprechend der Wärmeanforderung der Trockner soll die Betriebsweise der GiD-Anlage hinsichtlich eines geringen Brennstoffeinsatzes optimiert werden. Zusätzlich sollen die Möglichkeiten zur Wasserrückgewinnung im GiD-Prozess und zur Verbesserung der Wärmenutzung der Druckerei untersucht werden. Den Abschluss bildet eine Bewertung der erreichbaren ökologischen und energiewirtschaftlichen Effekte der neuartigen Trocknungstechnologie.

Weitere Projektinformationen werden vom FIS bereitgestellt.

Begleitung des zweistufigen Ausschreibungsverfahrens zur Ertüchtigung des Wasserwerkes Boxberg – Phase 1: Erstellung eines Aufbereitungskonzeptes und Unterstützung der Vorplanung

© WZV-MNS

Förderzeitraum:
01.05.2018 - 31.05.2018

Aufgabenstellung/Projektinhalt:
Die Trinkwasserversorgung im Nordraum des Landkreises Görlitz wird größtenteils durch das Wasserwerk Schwarze Pumpe sicher gestellt. Die Qualität des dort gefassten Rohwassers wird zukünftig durch die steigende Sulfatbelastung durch den Tagebau nicht mehr ausreichen, um daraus Trinkwasser aufzubereiten. Gegenwärtig wird damit gerechnet, dass 2022 eine Trinkwasserversogung durch das Wasserwerk Schwarze Pumpe nicht mehr möglich ist. Somit steht die Trinkwasserversorgung in der Region vor einer Neustrukturierung. Dabei soll dem Wasserwerk in Boxberg eine sehr große Bedeutung zukommen. Entsprechend der demografischen Entwicklung in der Region wurde es bisher stufenweise heruntergefahren. Nunmehr soll das Wasserwerk Boxberg, angepasst an die zu erwartende Rohwasserqualität, auf den neuesten technischen Stand gebracht werden, um eine sichere Trinkwasserversorgung zu gewährleisten. Die Arbeiten innerhalb der Forschungsdienstleistung beziehen sich dabei auf die Sichtung und Auswertung der zur Verfügung gestellten Unterlagen, insbesondere der Rohwasserqualitäten. Als Ergebnis der Auswertung sollen geeignete Aufbereitungsvarianten zur Bestimmung einer technisch sinnvollen und möglichst ökologisch und wirtschaftlich nachhaltigen Aufbereitungsvariante unter Berücksichtigung des Stands der Technik und Wissenschaft zur Vorbereitung eines zweistufigen Ausschreibungsverfahrens abgeleitet werden. Abschließend wird in Diskussion die Vorzugsvariante eingeschätzt und bestimmt.

Weitere Informationen werden vom FIS bereitgestellt.