Null-Emission Rohwasserproduktion in der Automobilindustrie (NERA)

Abstract

Ziel des Projektes war eine ressourcenschonende Aufbereitung von Abwässern aus der metallverarbeitenden Industrie mit Rückgewinnung von Schwermetallen und Phosphat ohne die Zugabe von Wasseraufbereitungschemikalien oder Auflösung von Elektrodenmaterialien. Diese Art der "chemikalienfreien" Aufbereitung vermeidet eine Aufsalzung des Abwassers und unterstützt damit das übergeordnete Ziel einer verbesserten Prozesswasserrückgewinnung. Zudem wird die Erzeugung von Sonderabfall vermieden und - mittels regenerativer Stromversorgung - eine nahezu CO2-neutrale industrielle Wasserkreislaufschließung ermöglicht. Die beteiligten Projektpartner entwickelten hierzu neue Materialien, eine neue Reaktortechnik und ein neues Behandlungsverfahren zur elektrochemischen Aufbereitung von Abwässern aus der metallverarbeitenden Industrie. Ausschlaggebend für das neue Konzept waren geeignete dimensionsstabile Elektroden(komposit)materialien aus Graphit-Polymer-Compound zur Vermeidung von Scaling/Ablagerungen an der Elektrodenoberfläche. Die genannten Entwicklungen wurden mit realen Abwässern durchgeführt. Zunächst wurden mit einer Zweikammer-Laborzelle verfahrenstechnisch optimierte Betriebsparameter und elektrochemische Reaktionsbedingungen ermittelt. Parallel hierzu erfolgte eine Verbesserung der Elektrodenmaterialien anhand von elektrochemischen (Dauer)Prüfverfahren. Das anschließende scale-up des Elektrolysereaktors erfolgte aufgrund der hohen Konstruktions- und Fertigungsansprüche direkt in den technischen Maßstab, gekennzeichnet durch eine verlustarme Stromübertragung bei Stromstärken bis 500 A. Der Elektrolysereaktor beinhaltet mehrere auf einer liegenden Welle fixierte Kathodenscheiben, die in einem Fällungsbecken rotieren, der von Abwasser durchströmt wird. Zwischen den Kathodenscheiben sind über Membranen abgetrennte Anodenkammern angeordnet. Die Untersuchungsergebnisse mit der Proof-of-Concept-Anlage (= technischer Maßstab mit ca. 10 % Elektrodenbelegung) zeigten eine chemisch und energetisch stabile "chemikalienfreie" Abwasserbehandlung zur Entfernung von Schwermetallen und Phosphaten ohne eine einzige Wartung im Versuchszeitraum, der sich über 12 Monate mit ca. 70 Versuchstagen ca. 3 bis 4 h Betrieb/Tag erstreckte. Die Einleitgrenzwerte für alle Schwermetalle, d.h. Mangan, Nickel, Zink wurden bis auf wenige Ausnahmen zur Betriebsoptimierung immer unterschritten. Eine weitergehende Rückgewinnung von Schwermetallen einerseits und Phosphat andererseits wurde mit einer zweistufigen fraktionierten Fällung nachgewiesen. Das derart salzarm aufbereitete Abwasser kann mittels Membranverfahren zu 90 % als Prozesswasser zurückgewonnen werden und damit den Verbrauch von Talsperren- und Trinkwasser erheblich reduzieren. Aus energetischer Sicht hat der Pilotversuch mit der Proof-of-Concept-Anlage insgesamt einen vergleichsweise geringen Strombedarf zwischen 0,5 und 2 kWh pro m3 Abwasser und damit ein wirtschaftlich interessantes Umsetzungspotenzial aufgezeigt.

The aim of the project was the resource-efficient treatment of wastewater from the metal processing industry, enabling the recovery of heavy metals and phosphates without addition of water treatment chemicals and without dissolution of electrode materials. This "chemical-free" treatment approach prevents the salinization of wastewater and thereby supports the overarching goal of improved process water recovery. In addition, it avoids the generation of hazardous waste and – when operated with renewable electricity - enables an almost CO₂-emission free industrial water reuse. To achieve these objectives, the project partners developed novel materials, an innovative reactor design, and a new treatment process for the electrochemical purification of wastewater from the metal processing industry. A key aspect of the concept was the use of dimensionally stable graphite–polymer composite electrode materials, which effectively prevent scaling and deposition on electrode surfaces. The developments were processed by treatment of approx. 15 m3 real wastewater samples from production site. Initially, process-optimized operating parameters and electrochemical reaction conditions were determined using a two-chamber laboratory cell. In parallel, electrode materials were improved through electrochemical (long-term) proof methods. To meet the high design and manufacturing requirements, the subsequent scale-up of the electrolysis reactor was carried out directly to a technical scale, which is specified by low-loss current transfer at currents up to 500 A. The reactor consists of multiple cathode disks mounted on a horizontal shaft, rotating within a precipitation tank through which the wastewater flows. Between the cathode disks, membrane-separated anode chambers are installed. The proof-of-concept plant (technical scale with approx. 10 % electrode coverage) demonstrated chemically and energetically stable "chemical-free" wastewater treatment for the removal of heavy metals and phosphate without any maintenance work throughout the test period of approximately eight months, during which the plant was operated one day per week for about six hours. Discharge limits for all heavy metals, including manganese, nickel, and zinc, were consistently met. An advanced separate recovery of heavy metals and phosphate was successfully achieved through two-stage fractional precipitation. The resulting low-salinity treated wastewater was further treated by membrane processes, enabling up to 90 % recovery as process water and significantly reducing the demand for reservoir and drinking water. From an energy perspective, the pilot trials with the proof-of-concept plant demonstrated a comparatively low electricity demand, typically between 0.5 and 2 kWh per m³ of wastewater, indicating promising economic potential for large-scale implementation.