Verbundprojekt: Neue Wege im medizintechnischen Wassermanagement - Etablierung innovativer Methoden für die abwasserfreie Produktion durch energieeffiziente Behandlung von stark belasteten Prozesswässern aus der Membranherstellung (Med-zeroSolvent)

Abstract

Die Dialyse ist eine der wichtigsten Formen der Nierenersatztherapie. Weltweit gibt es gegenwärtig etwa sieben Millionen dialysepflichtige Patienten. Der Bedarf zur Dialyse wird weiterhin steigen, zum einen als Folge der Zunahme von akuten und chronischen Nierenerkrankungen, zum anderen durch die Verbesserung der Therapiebedingungen sowohl in Industrie- als auch in Entwicklungs- und Schwellenländern, wobei in den letzten beiden Fällen noch erheblicher Bedarf besteht. Bei der Herstellung von Dialysemembranen werden Lösungsmittel wie Dimethylacetamid (DMAc) oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) eingesetzt. Ein großer Teil der Lösungsmittel kann zwar innerbetrieblich zurückgewonnen werden, bspw. durch Destillationsverfahren, dennoch fallen lösungsmittelhaltige Konzentrate und Abwässer an, die in externen Anlagen behandelt werden müssen. Durch die wachsende Bedeutung der Dialyse steigen sowohl der Ressourcenbedarf für die Herstellung von Dialysatoren als auch der Bedarf zur Behandlung der Reststoffe. Der Fokus des Projektes Med-zeroSolvent lag daher auf der Untersuchung von Möglichkeiten zur Senkung der bei der Abwasser- und Konzentratbehandlung entstehenden Emissionen und in der Minderung des Frischwasserbedarfs. Das Ziel bestand in der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem lösungsmittelhaltige Abwässer vor-Ort biologisch aufbereitet und nach einer membranbasierten weitergehenden Behandlung einer innerbetrieblichen Nutzung zugeführt werden können. Dabei standen energiesparende naturnahe Lösungen (zweistufige Vertikalfilter), technische Biofilmverfahren (MBBR) und Anaerobverfahren im Fokus. Die im Rahmen der Verfahrensentwicklung durchgeführten Pilotversuche zeigen, dass die untersuchte Verfahrenskombination aus MBBR und Vertikalfilter geeignet ist, um die ge-stellten Anforderungen zu erfüllen, aber auch, dass die Kombination beider Verfahren nicht erforderlich ist. Durch eine angepasste Verfahrensführung lassen sich mit den Einzelverfahren gleichwertige Ergebnisse erzielen. Das im unbehandelten Prozesswasser enthaltene ökotoxikologische Potenzial wurde mit beiden Verfahren eliminiert. Zum Nachweis wurden verschiedene Biotests eingesetzt. Für die zur Wasserwiederverwendung erforderliche weitergehende Behandlung wurden trocken aufgestellte ionenselektive Membranmodule ausgewählt. Ein entscheidendes Kriterium bestand dabei in der Mi-nimierung der nach der biologischen Behandlung enthaltenen Rest-Nitratkonzentrationen. Zur Überwachung der DMAc-Konzentrationen im Kläranlagenzu- und -ablauf wurde eine onlinefähige UV/Vis-basierte Methode entwickelt. Die durchgeführten Anaerobversuche zeigten, dass NMP im Gegensatz zu DMAc als schwer anaerob abbaubar einzu-schätzen ist, so dass sich eine technische Realisierung für NMP zumindest als herausfordernd darstellt. Das entwickelte Verfahren kann modulweise in bestehende Anlagen implementiert werden. Das Kernstück bildet die biologische Behandlungsstufe. Art und Umfang der weitergehenden Aufbereitung richten sich nach dem Nutzungsziel. Die Implementierung kann sukzessive erfolgen. Im ersten Schritt wird das gereinigte Abwasser nach der biologischen Behandlung direkt oder indirekt eingeleitet. Diese Vorgehensweise wurde für das Werk Berggießhübel gewählt, für das gegenwärtig die Errichtung eines zweistufigen Vertikalfilters vorbereitet wird. Die Wiederverwendung von biologisch behandeltem Abwasser kann über das Modul Umkehrosmose realisiert werden, zunächst in periphere Systeme ohne direkten Kontakt zur Faserherstellung. Für die Rückführung in den direkten Produktionsprozess ist zusätzlich die Einbeziehung vorhandener Anlagen zur Wasserrückgewinnung sinnvoll. Das größte Potenzial zur Wasserwiederverwendung besteht allerdings bei Betrieben ohne Lösemit-tel- und Wasserrückgewinnung, da größere Wassermengen im Umlauf sind. Die naturnahe biologische Behandlung von verdünnten DMAc-Gemischen führt zur Senkung der externen Entsorgungskosten und, im Fall eines der untersuchten Modellstandorte, zur Verringerung des Elektroenergiebedarfs um 26,4 MWh/a durch Stilllegung der gegenwärtig zur Abwasservorbehandlung genutzten Destillationsanlage. Durch die Mit-behandlung von DMAc in anaeroben Stabilisierungsanlagen kann Biogas erzeugt werden. Voraussetzungen sind eine technische Lösung für die sichere Einspeisung in die Faulung und der innerbetriebliche Rückhalt von produktionsbedingten Kunststoffeinträgen in das Abwasser. Das Energiepotenzial der am Modellstandort anfallenden Konzentrate liegt bei insgesamt 335 MWh/a. Daraus können 111 – 134 MWh/a an elektrischer Energie erzeugt werden. Damit wird ein bisher entsorgtes Abfallprodukt in einen bewirtschaftungsfähigen Energielieferanten umgewandelt. Im Rahmen des Projektes wurden anwendungsbereite Verfahren zur Behandlung von Ab-wässern aus der Membranherstellung entwickelt. Der erfolgreiche Lösungsmittelabbau wurde sowohl im Labor- als auch im Pilotmaßstab nachgewiesen. Der Industriepartner betreibt Vorbereitungen zur Implementierung einer Abwasserbehandlungsanlage in seinen Produktivprozess. Die Herangehensweise der Verfahrensentwicklung ist auf andere Industrieprozesse übertragbar.