Die Industrie nutzt weltweit fast ein Viertel des verfügbaren Wassers, vor allem als Kühl-, Löse- und Reinigungsmittel. Dieser Verbrauch schwankt je nach Industrialisierungsgrad, insbesondere auch von Branche zu Branche. Als Daumenregel gilt: Pro US-Dollar Warenwert stecken nach Angaben der Vereinigung Deutscher Gewässerschutz e. V. in Industrieprodukten aus den USA 100 l, aus Westeuropa ca. 50 l und aus dem asiatischen Raum ca. 20 l tatsächlich verbrauchtes Wasser zur Produktion ('Water Footprint'; 'Virtuelles Wasser'). Wie kann dieses zur Produktion benötigte Wasser nachhaltiger genutzt werden?

Innovative Verfahren und Prozesse im Bereich der Prozess- und Abwasserbehandlung zielen darauf ab, Umweltbelastungen zu reduzieren und die Kosteneffizienz zu erhöhen. Solche Verfahren können bewirken, dass die an die Umwelt abgegebene Abwassermenge oder deren Verunreinigungen vermindert werden (z. B. Rest-CSB (chemischer Sauerstoff-bedarf), AOX (adsorbierbare organisch gebundene Halogenide), Spurenstoffe, Salzlasten), verwertbare Stoffe dem Abwasserstrom gezielt entnommen und einer Wiederverwendung zugeführt werden (z. B. Lignin, Polyphenole) oder die Mehrfachnutzung der Wasserressourcen erhöht wird.
Das Gegenbeispiel: Die Exploration von Energierohstoffen (Ölschlämme, Schiefergas) mit Hilfe des Hydrofracking-Verfahrens ist ganz gewiss nicht nachhaltig: Dabei schwemmen grosse Mengen Wasser den Rohstoff an die Erdoberfläche. Oft werden Zuschlagstoffe beigemischt, um die Förderstrecken für die Pumpen freizuhalten. In den USA und Kanada ist das Hydrofracking vielfach geübte Praxis, auch in Deutschland gibt es erste Projekte.
Von solchen 'schmutzigen Technologien' abgesehen, geht in der Tat in der industriellen Wassertechnik der Trend verstärkt in Richtung ganzheitlicher Systembetrachtungen mit Kreislaufführung der Prozesswässer und Rückgewinnung von Wertstoffen bzw. der zur Wasserbehandlung eingesetzten Chemikalien. Auch beim Abwasser greifen veränderte Ansätze: Konzentrierte, nicht vermischte Abwasserteilströme können einfacher und kostengünstiger behandelt, wertvolle Inhaltsstoffe ausgeschleust und das gereinigte Abwasser einer Wiederverwendung zugeführt werden.
Zunehmend werden darüber hinaus energetische Fragestellungen in Richtung 'Carbon Footprint' der Anlagen über den gesamten Lebenszyklus zu wichtigen Argumenten bei der Auftragsvergabe, berichtet die VDMA-Fachabteilung Wasser- und Abwassertechnik.

Der 'Carbon Footprint' in der Wasseraufbereitung

Dies bestätigen Krüger Wabag und auch andere Gesellschaften aus der Wassertechniksparte von Veolia: Sie bewerten deshalb ihre Verfahren in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung systematisch hinsichtlich der Emission klimaschädlicher Gase über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Dank der Gesamtbilanz für Kohlenstoff ist das Unternehmen in der Lage, verschiedene Lösungen zur Wasseraufbereitung zu ermitteln und mögliche Einsparmaßnahmen mit den damit verbundenen Kosten und Vorteilen aufzuzeigen.
In öffentlichen Projekten beispielsweise in Grossbritannien gehört eine Einschätzung der zu erwartenden Klimagas-Emissionen zum Standard jeder Ausschreibung. Auch in der Industrie haben sich zahlreiche global agierende Unternehmen - zum Beispiel in der Nahrungs-mittelproduktion - eigene Ziele zur schrittweisen Verminderung ihrer Emissionen gesetzt, über deren Erreichungsgrad kontinuierlich Bericht erstattet wird. Für andere Akteure steht neben dem nachhaltigen Umgang mit natürlichen Ressourcen schon aus monetären Gründen die Verbesserung der Energieeffizienz im Vordergrund. Auch dies wirkt sich positiv in der CO2 -Bilanz aus.
Zur Berechnung der Emissionen beim Bau der Anlagen werden die Systeme in ihre Bestandteile zerlegt betrachtet. Die Rohmaterialen wie zum Beispiel Stahl, Aluminium und verschiedene Kunststoffarten werden quantifiziert und mit CO2 -Emissionskoeffizienten multipliziert. Die dabei verwendeten Koeffizienten stammen aus mehreren international anerkannten Datenbanken. Die wichtigsten Faktoren für den Betrieb sind die eingesetzten Rohwassertypen, Energieverbrauch und Betriebsmittel.

Integriertes Wasser-Management

Eine Produktionsanlage, die kein Wasser abführen muss, dürfte eine der konsequentesten Umsetzungen für einen ressourcenschonenden Umgang mit Wasser sein. Grundlagen für die Realisierung eines solchen Projektes schafft die niederländische Evides Industriewasser B.V. in China: Dort wird im trockenen Norden eine Demonstrationsanlage für die Aufbereitung von Abwasser zu hochwertigem Industrieprozesswasser gebaut. Die Anlage wird Teil eines Prozesswasserkreislaufs sein, in den das gereinigte Wasser immer wieder zurückgeführt werden kann. Die hochkonzentrierte Schadstofffracht wird zum Feststoff eingedampft und entsorgt. Hintergrund ist die in der Region begrenzte Verfügbarkeit von Süsswasser sowie fehlende Vorfluter für das Einleiten von Abwässern.

Das Aufbereiten von Abwasser zur Weiterverwendung ist einer der Schwerpunkte dieses Anbieters. Im Hafengebiet von Rotterdam konnte zum Beispiel mit einem neuartigen Verfahrenskonzept eine erhebliche Verbesserung der Wasserqualität für Industriekunden erzielt werden. Hier besteht ein hoher Bedarf an ultrareinem demineralisiertem Wasser, gleichzeitig ist bei Grund- und Oberflächenwasser ein steigender Salzgehalt zu erwarten. Bei diesem Grossprojekt wurde eine Kombination von bewährten Verfahren mit neuen Technologien realisiert: So dient für die Demineralised Water Plant (DWP) das Wasser aus dem Brielse Meer, einem nahe gelegenen See, als Hauptquelle. Das Verfahrenskonzept setzt Flotation und Filtration sowie Ionentauscher im Zusammenspiel mit Membranen ein. Eine neue Membrantechnologie reduziert den Einsatz von Reinigungschemikalien und verlängert die Lebenszeit der Membranen. Vertikal angeordnete Druckrohre sind mit Ventilen versehen, so dass beim Reinigungs- und Rückspülvorgang Luft zugeführt werden kann. Das reduziert Kosten und schont gleichzeitig die Umwelt.

Energieeffiziente Meerwasserentsalzung

Experten schätzen, dass der weltweite Wasserverbrauch in den nächsten 15 Jahren um 40 Prozent steigen wird. Wüstenstaaten oder kleine Länder wie Singapur haben wenig Süßwasserquellen und setzen zunehmend auf entsalztes Meerwasser. Das kostet bisher aber viel Energie. Etwa 10 kWh Strom pro m³ Wasser fallen für die Verdampfung von Salzwasser an. Die Umkehrosmose verbraucht für die gleiche Menge etwa 4 kWh.
Siemens hat den Energieaufwand für die Entsalzung von Meerwasser mehr als halbiert. Eine Pilotanlage in Singapur verarbeitet täglich 50 m3 Wasser und braucht dabei pro m³ nur 1,5 kWh elektrischen Strom. Bis Mitte 2012 sind Demonstrationsanlagen in Singapur, den USA und der Karibik geplant.
Das neue, energiesparende Verfahren von Siemens basiert auf der Elektrodialyse. Es entzieht dem Wasser die positiv und negativ geladenen Ionen der Salze mit Hilfe eines elektrischen Felds. Spezielle Membranen, die nur jeweils eine Ionenart passieren lassen, bilden Kanäle, in denen sich Salzlauge beziehungsweise gereinigtes Wasser sammelt. Mit sinkender Salzkonzentration wird der Prozess jedoch ineffizient, weil der elektrische Widerstand des Wassers zunimmt. Das letzte Prozent Salz extrahiert deshalb eine kontinuierliche Elektrodeionisation (CEDI). Dabei nehmen Ionentauscherharze zwischen den Membranen die Ionen auf und transportieren sie weiter.

Elektrolytische Roh- und Prozesswasseraufbereitung

Ein am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik (IGB) etabliertes Verfahren ist die elektro-physikalische Fällung (EpF). Hier wird das zu behandelnde Wasser durch einen Reaktor geleitet, in dem Opferelektroden von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Dies führt dazu, dass zwischen ihnen elektrochemische Reaktionen ablaufen und sich die Opferelektroden unter Freisetzung ihrer Metallionen auflösen. Dabei entstehen in Advanced Oxidation-Prozessen (AOP) neben reaktiven Radikalen auch Metall-Hydroxidflocken. Diese elektrolytisch gebildeten Metall-Hydroxidflocken haben ein hohes Adsorptionsvermögen und können so fein verteilte Partikel binden. Außerdem kommt es zu Mitfällungs- und Einschlussfällungsreaktionen, bei denen gelöste organische und anorganische Stoffe gefällt werden. Die ausgefällten Stoffe lassen sich dann mechanisch abscheiden.
Oxidative und adsorptive Verfahren wie die EpF können je nach Aufgabenstellung kombiniert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Prozesse liegt darin, dass sie für einen Standby-Betrieb geeignet und jederzeit zu- und abschaltbar sind. Die Integration in bestehende Anlagen und die Automatisierung bis hin zum autonomen Betrieb oder zur Fernsteuerung sind problemlos möglich. So kann beispielsweise die kontinuierliche Online-Erfassung des organischen Kohlenstoffs (TOC, total organic carbon) eine bedarfsabhängige und folglich energieoptimierte Aufbereitung gewährleisten.
Durch das Einsparen von Chemikalien bieten elektrolytische und oxidative Verfahren wirt-schaftlich attraktive und nachhaltige Lösungen, um Betriebs-, Prozess- und Abwasser von Substanzen zu befreien, die in einer biologischen Klärstufe nicht abgebaut werden. Die für den Betrieb der Anlage benötigte Energie kann als elektrischer Strom auch regenerativ durch Photovoltaik- oder Windkraftanlagen bereitgestellt werden.

Prozesswasser-Kreislaufführung in der Galvanik

In der Oberflächentechnik ist die prozessintegrierte Nutzung von Wasser durch Mehrfach-nutzung und Kreislaufführung weiter verbreitet als in der allgemeinen Chemie. Die Betrachtung von Teilströmen, die dem zu Grunde liegt, beinhaltet auch für die chemische Industrie Einsatzmöglichkeiten für die Membrantechnik. In der Regel ist die Trennung und separate Aufbereitung von Teilströmen jedoch mit einem neuen Konzept für die 'Wasser-Logistik' im Betrieb verbunden und deshalb aufwändig. In der Abwassertechnik hat sich seit einigen Jahren, gerade in der pharmazeutischen Industrie, der MembranBioReaktor (MBR) einen festen Platz erobert. Die Anwendung findet in der Regel End-of-the-Pipe statt, d. h. am Ende des Prozesses. Die Membran sorgt dafür, dass der biologische Reinigungsprozess sehr weitgehend ablaufen kann und die Membran als Barriere sorgt für einen feststofffreien Ablauf. Die sehr hohe Reinigungsleistung von MBR-Anwendungen ist eine notwendige Voraussetzung für den Einsatz von z. B. Umkehrosmosen für echtes Wasser-Recycling. Dieser Weg wird bereits in der chemischen und pharmazeutischen Industrie und benachbarten Industriezweigen verfolgt. Er stellt eine Möglichkeit dar, den spezifischen Wasserverbrauch zu senken.
Ein Praxis-Beispiel: Das Unternehmen Oftech Oberflächentechnik beschichtet Bauteile der Automobil- und Elektroindustrie. Im Zuge der Umstellung von Chrom-VI- auf Chrom-III-Beschichtungen wurde eine mobile Anlage installiert, in der spezielle Ionentauscher frühzeitig Störstoffe aus den Prozesslösungen (Elektrolyten) entfernen. Ergebnis: Die Menge an verbrauchten Beizen und Elektrolyten wird reduziert, die Standzeiten der Wirkbäder konnten deutlich verlängert werden.

Wasserrecycling in der Getränkeindustrie

Einer der grössten Wasserverbraucher im Getränkebetrieb ist die Flaschenwaschmaschine. Hier wird in der Spülzone mit einem Aufwand von 100 bis 1000 ml Wasser pro Flasche die Reinigungslauge in einer mehrstufigen Kaskade aus den Flaschen ausgespült. Typischerweise wird der Ablauf aus der Spülzone für die Vorweiche und/oder den Kastenwäscher weiterverwendet. Auch die Energie zum Erwärmen der Reinigungsmedien ist beträchtlich.
Die Prozessphilosophie des Wasserrecyclings der FuMA-Tech GmbH beruht darauf, für alle mit dem Spülprozess in das Wasser eingetragenen Verunreinigungen eine 'Senke' zu schaffen. Der Aufbereitungsprozess besteht aus einer Verfahrenskombination von Ultrafiltration und Umkehrosmose, kombiniert mit einer zweistufigen Neutralisation unter Verwendung von Kohlensäure. Die Ausrüstung des Recyclingsystems mit UV-Desinfektionsanlagen und einer automatisierten Membranreinigung und Anlagendesinfektion sorgt dafür, dass auch unter kritischen Rohwasserbedingungen (Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB), Temperatur) eine Anlagenverkeimung unterbleibt. Typischerweise können mit dem Wasserrecycling 50 bis 60 Prozent des Frischwassers eingespart werden. Das Produktwasser ist weitgehend entsalzt und entspricht in den Qualitätsanforderungen der Trinkwasserverordnung.

Leitungsverluste mindern spart auch Energie

Das grösste Einsparpotenzial beim Wasserverbrauch liegt in der Vermeidung bzw. Verminderung von Verlusten. Bei der landwirtschaftlichen Bewässerung, die weltweit rund 70 Prozent des Wasserverbrauchs ausmacht, lassen sich durch effiziente Bewässerungssysteme Verdunstungsverluste von 50 auf 10 Prozent verringern. Bei der Trinkwasserversorgung sind Netzverluste von 30 bis 50 Prozent eher die Regel als die Ausnahme. So versickern in London ca. 900 Millionen Liter Trinkwasser pro Tag. Während der durchschnittliche Wasserverlust in Entwicklungsländern bei 43 Prozent liegt, weisen die Wassernetze in Europa zwischen 15 und 30 Prozent Wasserverluste auf. Deutschland liegt mit 8 Prozent am unteren Ende der Skala. Aber auch hierzulande summieren sich die Wasserverluste aufgrund maroder Leitungsnetze auf 500 Millionen m³ pro Jahr. Der daraus resultierende Investitionsbedarf liegt bei über 13 Milliarden Euro. Allein durch Reduzierung dieser Verluste lässt sich nicht nur der Wasser­, sondern auch der Stromverbrauch senken, denn der Wassertransport verursacht etwa 90 Prozent des Energiebedarfs bei der Wasserversorgung.

Prozessanalytik und Prozessautomatisierung

Die Prozessanalytik in der industriellen Wassertechnik erfordert neben der Entwicklung von Analysetechniken zur Prozessverfolgung eine Datenanalyse und -bewertung, worauf aufbauend Stoff- und Prozessdaten generiert werden können. Die Zielsetzung der Prozessautomatisierung und -optimierung besteht darin, eine konstante Produktqualität bei niedrigen Kosten zu erreichen und sichere sowie umweltverträgliche Prozesse betreiben zu können.
Derzeit fehlen noch geeignete Verfahren, um eine differenzierte Beurteilung der Leistungsfähigkeit und der Qualitätskontrolle wassertechnischer Anlagen durchführen zu können; dies gilt insbesondere auch für toxische und refraktäre Stoffe sowie Spurenstoffe. Die Realisierung derartiger Systeme erfordert neben robusten und langzeitstabilen Methoden zyklisch arbeitende und automatisierte Techniken, die auftretende Störungen erkennen und Gegenmassnahmen zur Behebung einleiten. Um eine effektive Überwachung zu gewährleisten, sind Prozessanalysatoren notwendig, die Multikomponenten-Gemische in einem Arbeitsgang analysieren. Neben biologischen und photometrischen Verfahren werden zukünftig verstärkt chromatographische Analyseverfahren zum Einsatz kommen. Dazu sind Kenntnisse vor allem zum Trennsäulenzustand sowie zur Fehlerfrüherkennung nachlassender Trennsäuleneigenschaften zu entwickeln.

ChemWater: Nachhaltige industrielle Wassernutzung

Europa muss seine Wasserressourcen effizienter nutzen. Die chemische Industrie spielt dabei eine wesentliche Rolle: Sie ist einer der größten Wassernutzer und stellt zugleich Schlüsseltechnologien für die Wassernutzung bereit. Das EU-geförderte Projekt ChemWater soll europäische Initiativen im Rahmen bestehender Technologie-Plattformen und darüber hinaus vernetzen, um neue Erkenntnisse aus den Bereichen Nanotechnologie, Materialforschung und Prozessinnovation auszuwerten und für ein nachhaltiges industrielles Wasser-Management zu nutzen.
Kerngedanke des Projektes ist es, nicht nur den Nutzen von Wasser für die Chemie zu berücksichtigen, sondern auch den Nutzen der Chemie für das Wasser-Management. Damit soll die Rolle der Prozessindustrie als Technologieanbieter und Know-how-Träger unterstrichen werden. Die chemische Industrie als Ausgangspunkt bietet den Vorteil, dass hier gewonnene Erkenntnisse auf eine Vielzahl anderer Branchen übertragbar sind.

Fazit: Das integrierte Management und die Behandlung industrieller Roh-, Prozess- und Abwässer sind unabdingbare Bestandteile einer ressourceneffizienten Produktion. Sie sind Voraussetzung für eine ökonomisch wie ökologisch sinnvolle Nutzung von Wasser und dessen Inhaltsstoffen. Auf der ACHEMA 2012 vom 18. bis 22. Juni in Frankfurt am Main stehen ganzheitliche Systembetrachtungen im Mittelpunkt der Anbieter von Wasseraufbereitungs-Technologien. 

(Die Trendberichte werden von internationaen Fachjournalisten zusammengestellt. Die DECHEMA ist nicht verantwortlich für unvollständige oder falsche Informationen.)