HAVER & BOECKER

Aufbereitung von häuslichem und betrieblichem Abwasser

Ingenieurinnen und Ingenieure, die für die Planung und Konzeption kommunaler Kläranlagen zuständig sind, sowie im Anlagenbau mit der Entwicklung der Filteranlagen beauftragt werden, tragen eine enorme Verantwortung: Besonders in einer Zeit, in der die Verfügbarkeit von Wasser in Trinkwasserqualität zunehmend an Bedeutung gewinnt, müssen sie einen verantwortungsvollen Umgang mit dieser wertvollen Ressource gewährleisten!

9 Mrd. m³ Wasser! So viel Abwasser wurde 2019 in Deutschland ermittelt. Diese Menge Abwasser ergibt sich aus häuslichem und betrieblichem Schmutzwasser (57%), Fremdwasser (17%) und Niederschlagswasser (26%). Da enthaltene Schadstoffe laut dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) so weit reduziert werden müssen, wie der Stand der Technik es ermöglicht, gelangt Abwasser zum größten Teil in das öffentliche Kanalnetz, d.h. konkret, landesweit in rund 9.000 Abwasserbehandlungsanlagen.^[1][2]

Zuverlässige mechanische Filterlösungen spielen in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle. Ihnen widmen wir uns später unter dem Punkt "Erfolgsfaktoren für die optimale Auslegung eines Abwasserfilters" noch genauer.

1. Abwasseraufbereitung in kommunalen Kläranlagen

2. Mechanische Reinigung des Abwassers anhand von Mikrosiebanlagen

3. Optimale Auslegung eines mechanischen Aufbereitungsfilters

3.1 Filtermedium Metalldrahtgewebe

3.2 Erfolgsfaktoren „Metallgewebefilter für die Abwasseraufbereitung"

Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel, es kann nicht ersetzt werden.

Eingangs- und Leitsatz der DIN 2000

1. Abwasseraufbereitung in kommunalen Kläranlagen

Welchen Weg das Abwasser in kommunalen Kläranlagen zurücklegt, um am Ende wieder Trinkwasserqualität aufzuweisen und vor allem, welche Filtrations- und Trennverfahren in den einzelnen Klärstufen integriert sind, möchten wir am Beispiel einer gängigen Funktionsweise näher betrachten: die Abwasseraufbereitung durch mechanische, biologische und chemische Reinigungsprozesse.

Mechanische Reinigung

1. Klärstufe

Die Abwasseraufbereitung beginnt mit einem Rechen oder Sieb, welches grobe Verschmutzungen zurückhält. Es dient vorranging der Entlastung der nachfolgenden Stufen, schützt aber auch nachgeschaltete Maschinen und Systeme. Ein Sand- und Fettfang entfernt mineralische Verunreinigungen wie feine Steine oder Glassplitter aus dem Abwasser, aber auch die an der Wasseroberfläche schwimmenden Öle und Fette. Eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit im Vorklärbecken bewirkt eine Sedimentation der absetzbaren Stoffe oder Schwebstoffe wie Fäkalien oder Papier.

Biologische Reinigung

2. Klärstufe

Im Belebungsbecken – der zweiten Klärstufe – werden anhand von Bakterien und der Belüftung mit Sauerstoff gelöste organische Substanzen sowie Nährstoffe entfernt.

Chemische Reinigung

3. Klärstufe

Hier wird gezielt Phosphat entfernt, da dieses die Wasserqualität nachhaltig negativ beeinflusst.^[3] In Industriekläranlagen werden darüber hinaus noch andere problematische Stoffe wie Schwermetalle und Salze entfernt.

30% der organischen Schmutzstoffe können bereits im mechanischen Reinigungsprozess entfernt werden.

Im Nachklärbecken (biologische Reinigung) fließt das gereinigte Abwasser über den Beckenrand.

Das gereinigte Wasser wird in umliegende Gewässer geleitet und damit wieder in den natürlichen Wasserkreislauf zurückgeführt.

Überall Mikroplastik

Vermeidung feiner Partikel in Düngemitteln

Um die für die Landwirtschaft wichtigen Phosphat-Ressourcen zu schonen, wurde der Klärschlamm früher überwiegend als Dünger verwertet.

Da er aber auch Anteile an anorganischen Schadstoffen aufweist sowie Nanopartikel und Mikroplastik, darf Klärschlamm von Kläranlagen, die das Abwasser von mehr als 50.000 Einwohnern aufbereiten, nur noch bis spätestens 2032 unbehandelt als Düngemittel verwertet werden.^[4]

So führt die Vision einer mikroplastikfreien Umwelt in unterschiedlichen Bereichen zum Umdenken - mit alternativen Entsorgungsmöglichkeiten in der Landwirtschaft oder der frühzeitigen Filtration von Mikropartikeln in Industrie und Haushalt.

Weniger Mikroplastik in den Kläranlagen

2. Mechanische Reinigung des Abwassers anhand von Mikrosiebanlagen

Der Energieaufwand für diesen umfangreichen Klärprozess ist enorm. Rund 1000 Watt Energie werden gebraucht, um einen Kubikmeter Abwasser zu reinigen. Gleichzeitig stecken 4000 Watt Energie in jedem Kubikmeter, sodass eine Kläranlage mehr Energie erzeugen könnte, als sie tatsächlich verbraucht.^[5] Um dieses Potential bestmöglich ausschöpfen zu können, werden in unterschiedlichen Versuchsreihen im mechanischen Reinigungsprozess bereits Mikrosiebanlagen eingesetzt. Sie filtern einen maximalen Anteil an Feststoffen bereits vor dem Klärvorgang. Der gewonnene Klärschlamm wird z. B. in Biogasanlagen verwendet, wo er unter Ausschluss von Luftsauerstoff vergärt und zur Energiegewinnung beiträgt.^[6]

2.1 Eigenschaften einer Mikrosiebanlage

Eine permanent maximale Durchlässigkeit muss sichergestellt sein

Um maximale Effektivität zu erreichen, müssen Mikrosiebanlagen auf der einen Seite eine möglichst hohe Filterfeinheit aufweisen, auf der anderen Seite aber auch den mechanischen und chemischen Belastungen standhalten.

Die mechanischen Belastungen resultieren aus regelmäßigen Hochdruckreinigungen und dem Kavitationseffekt, der durch die Wechselbelastung zwischen Über- und Unterdruck hervorgerufen wird. Chemische Reinigungsverfahren dienen der Vermeidung eines biologischen Bewuchses. Die Frequenz der Reinigungszyklen ist dabei von der Verblockungsneigung des Filtermediums abhängig.

Ein Filtermedium aus Drahtgewebe kann problemlos in bestehende Anlagen integriert werden.

2.2 Die Anlagenform bestimmt das Filterelement

Zylinder, Siebgewebe oder Filterplatte

Unabhängig von der Filterform ermöglichen folgende Eigenschaften eine optimale Auslastung der Mikrosiebanlagen:

Feinste Porengrößen um organische Schwebstoffe, Feinstoffe, Bakterien, Sande und auch feinstes Mikroplastik zurückzuhalten
Maximale Durchflussmengen und minimaler Druckverlust trotz geringer Porengrößen
Optimale Schmutzaufnahme und Abreinigungsfähigkeit
Stabilität und Korrosionsbeständigkeit

3. Optimale Auslegung eines mechanischen Aufbereitungsfilters

Um bei der Aufbereitung von Wasser – und das gilt auch für Abwasser – effiziente und damit auch wirtschaftliche, vor allem aber auch nachhaltige Behandlungsprozesse zu erzielen, ist eine präzise mechanische Filtration des Wassers maßgeblich. Denn je mehr Feststoffe bis hin zu feinstem Mikroplastik direkt abgetrennt werden können, desto geringer ist der Platz- und Energiebedarf für bisher zwischen- und nachgeschaltete Klärprozesse.

3.1 Filtermedium Metalldrahtgewebe

Es ist das Zusammenspiel der funktionalen Eigenschaften, die Metalldrahtgewebe für den Einsatz in der Wasserfiltration nahezu unschlagbar macht, da es auch unter extremen Umgebungsbedingungen und mit Blick auf die Prozesssicherheit klare Vorteile aufweist.

Es entsteht aus der vordefinierten Verbindung aus Kett- und Schussdrähten, die je nach Wahl der Drähte sowie der Maschenform unterschiedliche Maschenbilder ergeben. Vor allem sind es exakte geometrische Gebilde, deren Porengrößen und damit die Material- und Durchflusseigenschaften präzise definierbar sind.

Über die Auswahl der Webart und des Werkstoffes lassen sich die mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften des Filtergewebes den Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen.

Musterkarten zeigen bewährte Metallgewebe-Spezifikationen

3.2 Erfolgsfaktoren „Metallgewebefilter für die Abwasseraufbereitung“

Bei der Planung und Entwicklung eines mechanischen Filterelements für den Einsatz in Kläranlagen und damit in einem meist automatisch selbstreinigenden System liegt die größte Herausforderung in der Berücksichtigung und Kombination teilweise konträrer Faktoren: Durchsatz, Filterfeinheit und Werkstoffauswahl. Mit dem Filtermedium Drahtgewebe können Sie dieses Spannungsfeld optimal beeinflussen und zu einer zukunftsorientierten Abwasseraufbereitung beitragen.

Durchsatz
Das ideale Verhältnis zwischen Durchflussmenge und Schmutzaufnahme

Filterfeinheit
Filtration von Feststoffen ≥ 5 µm

Werkstoffauswahl
Auf die Korrosionsbeständigkeit und Schweißeignung kommt es an

Das ideale Verhältnis zwischen Durchflussmenge und Schmutzaufnahme

Auf Platz 1 der Wunschliste eines jeden Anlagenbauers ist ein möglichst hoher Durchsatz, um eine schnelle und energiesparende Beseitigung unerwünschter Schmutzpartikel aus dem Abwasser zu gewährleisten. Zusätzlich verringert eine geringe Verblockungsneigung die Gefahr eines biologischen Bewuchses (z. B. Algen), der dort entsteht, wo Wasser längere Zeit steht.

Beide Eigenschaften sind ausschlaggebend für die Effizienz, Sicherheit und Stabilität von Filtrationsprozessen, da die Reinigungsintervalle verlängert und die mit der Reinigung einhergehenden mechanischen und chemischen Belastungen reduziert werden können. Eine längere Lebensdauer der Filterelemente trägt zusätzlich zu einer Reduzierung der Betriebs- und Gesamtkosten bei.

Metalldrahtgewebe ermöglicht auch in verarbeiteter Form eine über die gesamte Filterfläche gleichbleibende Filterleistung und damit verbunden eine maximale Durchflussleistung. Außerdem handelt es sich um ein sehr widerstandsfähiges und leicht zu reinigendes Filtermedium.

Unterschieden wird zwischen offenem Quadrat- oder Rechteckmaschengewebe oder einem scheinbar geschlossenen Tressengewebe. Es liegt auf der Hand, dass Gewebe mit offenen Maschen über höhere Durchsatzleistungen verfügen als sogenannte Tressengewebe. Vor diesem Hintergrund gilt es jedoch die Stabilität des Gewebes zu berücksichtigen. Da der verwebte Draht bei Quadrat- oder Rechteckmaschengewebe in der Regel kleiner als die erstrebte Maschenweite (z.B. 25 µm) ist, verliert das Gewebe mit abnehmender Filterfeinheit an Stabilität.

Viele Hersteller von Filteranlagen wählen daher für das Herzstück – nämlich die Filterlage - ein extrem trennscharfes MINIMESH® Tressengewebe. Dieses überzeugt sowohl durch eine konstant hohe Durchflussleistung aufgrund optimaler Schmutzaufnahme- sowie Abreinigungsfähigkeit als auch durch eine konstant hohe Festigkeit.

Schmutzaufnahmekapazität geprüft mit Teststaub nach ISO 12103
Schmutzaufnahmekapazität einer HIFLO 30-S
links: beladen, rechts: unbeladen
Abreinigungsverhalten in Anlehung an VDI 3926

Die Tiefenstruktur der Tressenart MINIMESH® RPD HIFLO-S ist hinsichtlich dieses Zusammenspiels unschlagbar. Um dem Kavitationseffekt standhalten zu können, wird die Filterlage bei Bedarf mit optimal abgestimmten Schutz- und Stützgeweben unterstützt. Ob der Verbund aus stramm anliegenden Einzellagen oder gar einem Drahtgewebelaminat besteht, richtet sich nach den mechanischen Anforderungen und wirtschaftlichen Voraussetzungen.

Filtration von Feststoffen ≥ 5 µm

Mehr als offensichtlich ist zunächst der Zusammenhang zwischen Porengröße und Filterergebnis: Je feiner das Filtergewebe ist, desto höher ist der Anteil der zurückgehaltenen Fremdpartikel und desto „sauberer“ ist das Wasser nach der Filtration.

Doch vor allem der Einsatzort des Filterelements ist für die gewählte Porengröße relevant. Er entscheidet im Rahmen vor- und nachgeschalteter Prozesse über individuelle Parameter wie Durchsatz sowie erforderliche Stabilität. Zur Gewährleistung einer bestmöglichen Abscheidung organischer Schwebstoffe, Feinstoffe, Bakterien, Sande und Mikroplastik, empfiehlt sich je nach Anforderung eine geometrische Porengröße bis 5 µm.

Beim MINIMESH® Tressengewebe, welches überwiegend für die Filterlage eingesetzt wird, sind die Kett- bzw. Schussdrähte engstmöglich aneinandergeschlagen (Nullmasche). Das Gewebe weist statt einer Masche einen Porenkanal auf. Die Filterfeinheit wird hier mit der geometrischen Porengröße bemessen.

Gegenüber alternativen Filtermaterialen weist das MINIMESH® Tressengewebe neben der hohen Trennschärfe und präzisen Filtercharakteristik folgende Vorteile auf:

Strömungsoptimierte Gewebestruktur
Hohe Durchflussrate
Leichte Reinigung
Geringe Verblockungsneigung
Lange Filterstandzeiten

Dreidimensionale schematische Darstellung des Tressengewebes RPD HIFLO-S.

Die besondere Gewebestruktur der MINIMESH® RPD HIFLO-S ermöglicht eine erheblich höhere Anzahl Poren auf gleichem Raum wie bei einer vergleichbaren Standardtresse. So kann ein höherer bis doppelter Durchfluss erzielt werden.

Die Webtechnologie dieser Tresse ermöglicht, dass die Porengröße innerhalb eines Loses von 40 µm bis 5 µm bedarfsgerecht kalibriert werden kann.

Auf die Korrosionsbeständigkeit und Schweißeignung kommt es an

Ist die Auswahl auf ein Filterelement bestehend aus Metalldrahtgewebe gefallen, gilt es, nach der Identifizierung von Geometrie und Design, den Werkstoff festzulegen. Dabei kommen für die Wasserfiltration bei Weitem nicht alle Edelstahllegierungen in Frage.

Unumstritten ist die Korrosionsbeständigkeit, die ein Filter in der Verbindung mit Wasser aufweisen muss. Zusätzlich muss er diversen Chemikalien standhalten – ob als Bestandteil des Klärprozesses oder als Substanz des noch ungereinigten Abwassers.

Ähnlich relevant sind die Schweißeigenschaften eines Werkstoffes, da häufig konfektionierte Filterelemente zum Einsatz kommen, welche durch diese Fügetechnik in der gewünschten Ausprägung formstabil gehalten werden. Beim Fügen wird der Werkstoff Temperaturen von über 450°C ausgesetzt. Dies kann zu interkristalliner Korrosion in der Wärmeeinflusszone (WEZ) führen.

MINIMESH RPD HIFLO-S Tressengewebe kann aus vergleichsweise starken Drähten hergestellt werden. So können auch im kleinen Porenspektrum bisher nicht mögliche Sonderwerkstoffe wie z. B. Alloy 310 S, Avesta 254 SMO (1.4547), Inconel 600, Superduplex, Duplex, Hastelloy C22 oder Titan – verwebt werden.

Damit steht erstmals ein größeres Spektrum korrosions- und temperaturbeständiger Filtergewebe in Porengrößen < 40 µm zur Verfügung.

Fazit

Drahtgewebe ist langfristig eine gute Idee

Es ist kein Geheimnis, dass Metallgewebefilter im Vergleich zu Filtern aus PES oder PP oftmals mit höheren Anschaffungskosten verbunden sind. Doch die bestmögliche Kombination der soeben aufgeführten Erfolgsfaktoren, gepaart mit technischem Know-how bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Metalldrahtgewebe, ermöglichen die langfristige Nutzung wartungsarmer Filterelemente.

Zusätzliche Aufwendungen für Reinigungen oder sogar Neuanschaffungen, Produktionsstillstand und Entsorgung werden im Vergleich zu weniger stabilen Filtermedien minimiert. Das wirkt sich mittel- bis langfristig positiv auf die Gesamtkosten sowie die Prozessergebnisse aus.

Zusätzlich sind es die Vielseitigkeit, Regenerierbarkeit und Recyclingfähigkeit, die das Filtermedium Drahtgewebe zur idealen Lösung für die Aufbereitung von häuslichem und betrieblichem Abwasser machen.

Zögern Sie also nicht, mit Ihren Projektideen und Herausforderungen auf uns zuzukommen. Lassen Sie uns die Welt ein Stück sauberer und nachhaltiger machen!