Wasserwiederverwendung Wie Sie Ressourceneffizienz in der Wasser-/Abwassertechnik steigern

Im Rahmen seiner Nachhaltigkeitsstrategie hat Grundfos integrierte Lösungen für eine sichere und effiziente Wasserwiederverwendung entwickelt. Insbesondere erweisen sich Membrantechnologien in Verbindung mit effizienten Hochdruck- und präzisen Dosierpumpen als zielführende Verfahren zur Behandlung von Brauch-, Schmutz- und Abwasser.

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Veolia Water Technologies Deutschland GmbH

BD|SENSORS GmbH

E+E Elektronik GmbH

Grundfos GmbH

Die Wiederverwendung von Wasser – beispielsweise zur Kesselspeisung, als Kühlturm-Nachspeisewasser, generell zur Reinigung und als Spülwasser – ist ein viel diskutierter Trend in der gesamten Industrie. Es ist dies nicht nur ein Thema der „grünen Agenda“, sondern hat auch interessante wirtschaftliche Aspekte: Wasserwiederverwendung reduziert u.a. den Heiz- und Kühlbedarf (durch nutzbare Temperaturunterschiede), infolge dessen reduzieren sich die erforderlichen Kessel- und Kältekapazitäten und Pumpenleistungen. Und wird Wasser wiederverwendet, sinken entsprechend die Abwassermengen und damit die Entsorgungskosten.

Wasserwiederverwendung kostet zwar zunächst (Capex, capital expenditures), bietet aber dann über lange Zeit günstigere Betriebskosten (Opex, operational expenditures). Grundfos geht davon aus, dass in naher Zukunft Opex-Lösungen einen wichtigen Anteil am Umsatz ausmachen werden.

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Abwasser aufbereiten, nicht abführen

Grundfos ist bekannt für energieeffiziente Pumpenlösungen und die Entwicklung zukunftsweisender Wassertechnologien – die Themen „Reduktion der Ressource Wasser im Prozess“ bis hin zur „Wasserwiederverwendung durch Aufbereitung“ sind im Unternehmen fest verankert.

Neben der aus der Kläranlagentechnik bekannten biologischen Aufbereitungsstufe spielen in industriellen Wiederverwendungsprozessen die chemische und physikalische Aufbereitung eine wichtige Rolle. In diesem Schritt wird das Wasser hinsichtlich des pH-Werts aufbereitet, und es werden (vielfach per Ultrafiltration) alle Partikel entfernt, um das Wasser für den letzten Schritt vorzubereiten: die besonders aufwändige Konzentrataufbereitung. Dieser Schritt erfolgt häufig über eine Kristallisation oder eine Umkehrosmose mit bis zu drei Stufen. Herausforderungen dabei sind der hohe Druck und die Wasserchemie, was den Membranen, aber auch anderen Komponenten wie Rohren, Ventilen und Pumpen viel abverlangen kann.

Alle Membranen verschmutzen mit der Zeit und müssen gereinigt werden. Je mehr die Membranen verstopfen, desto mehr Druck ist erforderlich, um das Wasser bei gleichbleibendem Förderstrom aufzubereiten. In Anlagen mit ungeregelten Pumpen wird ohne Antrieb allmählich immer weniger Permeat geliefert, bis der Durchfluss unter den Auslegungswert sinkt. Drehzahlregelbare Pumpen gleichen Druckverluste aus und verlängern die Reinigungsintervalle, ohne den Durchfluss an produziertem Wasser herabzusetzen.

Um das Fouling zu begrenzen, sind vielfach Dosierpumpen im Einsatz: Solche Aggregate der Baureihe Smart Digital fördern die benötigten Chemikalien mit hoher Präzision. Dank der integrierten Volumenstrommessung vergleicht die Dosierpumpe den aktuellen Dosiervolumenstrom mit dem Sollwert und passt ihre Dosiermenge an.

Über alle Prozessschritte hinweg ist eine zuverlässige MSR-Technik erforderlich. Hydraulische Parameter wie Temperatur, Strömung und Druck oder chemische Parameter, einschließlich pH-Wert, Trübung, Leitfähigkeit und organisch gebundener Gesamtkohlenstoff (TOC) sind online zu erfassen. In aller Regel sammelt eine SPS alle gemessenen Signale aus den verschiedenen Prozessschritten und steuert den Prozess, um den Aufbereitungserfolg sicherzustellen.

Wasserparameter unter Kontrolle

Die genaue Kontrolle der zudosierten Desinfektionsmittel- oder anderer Stoffe ist essentiell für viele Aufbereitungsprozesse. Dafür hat Grundfos DID „Plug & measure“-Systeme entwickelt: eine Kombination von digitalen Modbus-Sensoren für unterschiedliche Wasserparameter mit einem Auswerte- und Regelterminal (CU 382) zur Verwendung mit Smart Digital-Dosierpumpen, aber auch Gasdosiersystemen oder In-situ-Biozidsystemen.

Sensoren sind für das Messen von Chlordioxid, freies Chlor/Gesamtchlor, Wasserstoffperoxid und Peressigsäure verfügbar. Darüber hinaus erfassen elektrochemische Sensoren den pH-Wert, die Redox-Spannung sowie die Leitfähigkeit. Ein visueller Sensor misst die Trübung und Organik. Dank der Auswertung direkt im Sensor und Kommunikation via Modbus zum Regelterminal, können Übertragungsstrecken bis 100 Meter ohne Zwischenverstärker realisiert werden.

Über die USB-Schnittstelle können die DID-Systeme schnell und unkompliziert parametriert werden, für die meisten Anwendungen sind vorkonfigurierte Anwendungsbeispiele verfügbar. Die Systeme können per Fernzugriff optimiert werden, was wiederum Kosten senkt.

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Membranfiltrations- und Separationsanlage

Der Dynafilter von Grundfos eignet sich für die Aufbereitung von Prozesswasser, beispielsweise in der Metallverarbeitenden Industrie. Er erfüllt die hohen Anforderungen gemäß VDA19 und DIN ISO 16232, zeichnet sich durch sehr hohe Leistungen bei der Öl-Wasser-Abscheidung aus und ist chemisch beständig bei pH-Werten von 0 bis 14. Das emulgierte Öl und die Partikel werden durch eine kontinuierliche Separation und Mikro-Filtration abgeschieden. Anwender profitieren nicht nur von einem kontrolliert und konstant sauberen Reinigungsmedium, sondern sparen darüberhinaus Wasser, Chemikalien und Betriebskosten (Entsorgungs- und Wartungskosten). Die Standzeiten des Prozesswassers werden von Tagen auf Monate verlängert, die Anlagenverfügbarkeit damit deutlich erhöht. Das aufkonzentrierte Retentat aus Öl und Verunreinigungen wird durch eine automatische Eigenmedium-Rückspülung ausgebracht.

Wasser nutzen, nicht entsorgen

Um zu neuen Konzepten und Lösungen zu kommen, haben sich kürzlich Novozymes und Grundfos zusammengeschlossen. Ziel ist es, Lösungen zu finden, um schädliche Chemikalien aus dem Wasser zu filtern und die Aufbereitung von Abwasser zu verbessern. Dazu gehören eine bessere Filtration, weniger Schlamm und die Zurückgewinnung von Phosphat aus dem Abwasser.

Ein Praxisbeispiel, wie Prozess-Abwasser als Wasserressource dient: Ein asiatischer Kunde stellt Wafer für die Elektronikindustrie her. Nach der Verwendung im Herstellungsprozess wird das Prozesswasser gesammelt und zurück in eine Wasseraufbereitungsanlage geleitet. Dazu wird das Abwasser in mehreren Schritten gesammelt, vorgefiltert und behandelt, bevor es in die UO-Hauptanlage gelangt (hier arbeiten Speise- und Hochdruckpumpen von Grundfos). Die ersten Verfahrensschritte entfernen das gesamte Salz und führen das Wasser zurück in die Reinstwasseranlage. Um an den Membranen das Fouling zu vermeiden, wird der pH-Wert des Abwassers mit Natriumhydroxid (NaOH) auf 10 erhöht, bevor es in die UO-Anlage gelangt. Dort wird der pH-Wert mithilfe von Chlorwasserstoff (HCl) im Rahmen eines Batchprozesses auf 6 bis 7 angepasst. Problematisch dabei war, dass stets zu viel oder zu wenig dosiert wurde. Deshalb ersetzte der Planer die per Magnetventil gesteuerten Pumpen durch digitale Dosierpumpen des Typs DDA FCM. Zusätzlich wurde ein DID-System installiert, das den pH-Wert auf beiden Prozessseiten präzise misst und regelt. Diese Lösung bietet auch den Vorteil, dass Tauch-Sensoren direkt im Reaktionsbehälter montiert werden können.

Der integrierte PID-Regler sorgte direkt nach der Inbetriebnahme der Anlage für eine intelligente und reibungslose Dosierung. Selbst bei fluoridhaltigem Wasser, das einige Herausforderungen stellt, konnte der pH-Wert ohne Probleme angepasst werden.

Fazit: Nachhaltigkeit als Unternehmens-Strategie

Ob die Reduktion des Frischwasserbedarfs oder das Aufbereiten von bereits eingesetztem Wasser, um es wiederverwenden zu können: Lösungen unter Nutzung effizienter Filter- und Desinfektions-Technologien haben bei Grundfos seit Jahren hohe Bedeutung. Die Nachhaltigkeitsstrategie ist integraler Bestandteil des Unternehmens und dessen geschäftlicher Aktivitäten. Schon seit 2002 unterstützt das Unternehmen den UN Global Compact: Eine strategische Initiative für Unternehmen, die sich verpflichten, ihre Geschäftstätigkeiten und Strategien an zehn universell anerkannten Prinzipien (Menschenrechte, Arbeitsnormen, Umweltschutz und Korruptionsbekämpfung) auszurichten. Bei den von der UNO formulierten 17 Zielen für eine nachhaltige Entwicklung legt Grundfos besonderes Augenmerk auf die Punkte 6 und 13: Die Bereitstellung von sauberem Wasser und sanitären Einrichtungen sowie die Bekämpfung des Klimawandels.

Konkret verfolgt Grundfos strategisch diese Ziele: Bis 2025 will das Unternehmen die eigenen CO₂-Emissionen und den eigenen Wasserverbrauch halbieren (Basis: 2008). Bis 2030 wird Grundfos klimapositiv sein und darüber hinaus dazu beitragen, 300 Millionen Menschen in Not sicher mit Trinkwasser zu versorgen. Durch Wassereffizienz und Wasseraufbereitung ist es das Ziel, bis dahin 50 Milliarden Kubikmeter Frischwasser eingespart zu haben.

Tipp der Redaktion: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert seit Juli 2019 Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur Wasserwiederverwendung. Ziel ist es, innovative Technologien, Betriebskonzepte und Managementstrategien zur Wasserwiederverwendung und Entsalzung zu entwickeln und so zu einer nachhaltigen Erhöhung der Wasserverfügbarkeit sowie zu einem zukunftsfähigen Wassermanagement beizutragen.

* Der Autor ist Vertriebsdirektor Industrie D-A, Grundfos GmbH, Erkrath.

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