Abwasseraufbereitung

Der maximale Schadstoffgehalt industrieller Abwässer vor der Zuleitung in die Klärwerke ist in den meisten Industrieländern für verschiedene Stoffe und Stoffklassen gesetzlich geregelt. Unternehmen müssen strenge Umweltauflagen erfüllen und unterstehen behördlichen Kontrollen. Das gilt auch für die Wasserbelastung durch Tenside, die branchenübergreifend angewendet werden – als Schaumbildner, Reiniger, Netzmittel, Dispergiermittel und für viele weitere Zwecke. In der Halbleiterindustrie z. B. sind Tenside in Abwässern eine besondere Herausforderung; sie müssen bei der zyklischen Rückführung in der Wasseraufbereitung der Chipfabrik vollständig entfernt werden.

Tensiometrische Messungen der Oberflächenspannung, welche mit den Tensidgehalt verknüpft ist, helfen Unternehmen dabei, gesetzliche Grenzwerte einzuhalten oder die Qualität der eigenen Wasseraufbereitung sicherzustellen.

Überprüfung des Primärabbaus anhand der Oberflächenspannung

Alle Einsatzzwecke von Tensiden beruhen direkt oder indirekt darauf, zwischen Wasser und hydrophoben Stoffen zu vermitteln und die Oberflächenspannung des Wassers bzw. die Grenzflächenspannung zu senken. Durch diese Eigenschaft greifen Tenside auch Zellmembranen von Mikroorganismen an, welche in Klärwerken eine wesentliche Rolle im Aufbereitungsprozess spielen, und können diese abtöten. Daher muss der Primärabbau, bei dem die grenzflächenaktiven Eigenschaften verloren gehen, bereits weit vorangeschritten sein, bevor die Abwässer dem Klärwerk zugeführt werden können. Die nicht mehr grenzflächenaktiven Abbauprodukte (Metabolite) werden bei den meisten zugelassenen Tensiden im Klärwerk vollständig abgebaut.

Da der Primärabbau und die Oberflächenspannung in direkter Beziehung stehen, kann der Prozess anhand von tensiometrischen Messung kontrolliert werden. Mit einem mobilen Blasendrucktensiometer lässt sich die Einhaltung eines Grenzwertes für Wasser direkt vor Ort prüfen. Üblich sind auch Messungen an Laborproben mit einem stationären Kraft-Tensiometer mit der Ringmethode oder der Plattenmethode. Zwar ersetzt dieses Verfahren nicht die Konzentrationsbestimmung für bedenkliche Substanzen, die jeweils eigenen Grenzwerten unterliegen. Aber es kann die Zahl zeit- und kostenintensiverer Analysen erheblich reduzieren.

Der Zusammenhang zwischen Primärabbau und Oberflächenspannung gilt für jedes Tensid unabhängig von Substanzklasse und chemischer Struktur. Deshalb ist die Tensiometrie als Testmethode für Tenside universell einsetzbar. In vielen Fällen lässt sich die Konzentration sogar direkt mit der Oberflächenspannung korrelieren und mit der Blasendruckmethode schnell und einfach bestimmen.

Gehaltsbestimmung für den Tensideinsatz in Klärprozessen

Auf den ersten Blick erscheint es widersinnig, vor der Einspeisung ins Klärwerk Tenside abzubauen, um sie dann im Klärprozess wieder hinzuzufügen. Tatsächlich kann jedoch durch gezielte Zudosierung geeigneter Tenside der chemo-biologische Prozess im Belebtschlamm gesteuert und optimiert werden:

• Die Adsorption von Tensidmolekülen an der Zellmembran, welche bei Überdosierung die Membran zerstören und die Bakterien abtöten würde, erhöht im moderten Bereich die Durchlässigkeit für Biomoleküle und beschleunigt so den Faulprozess.
• Tenside verkleinern die Bläschen von eingeblasenem Sauerstoff, was die Durchmischung verbessert und für einen längeren Verbleib des Gases im Becken sorgt.
• Tenside reduzieren die Tröpfchengröße hydrophober Flüssigkeiten, die so den Bakterien eine größere Angriffsfläche bieten.
• Sogar die Entfernung von Schwermetallen, die zum Beispiel bei der Galvanisierung oder der Halbleiterproduktion in das Abwasser gelangen, gelingt durch den Einsatz von Tensiden schneller und vollständiger. 

Doch auch das zugeführte Tensid wird bakteriell wieder abgebaut und die Adsorption an den Schlamm senkt ebenfalls den Tensidgehalt in der wässrigen Phase. Das Tensid muss daher in regelmäßigen Abständen nachdosiert werden. Für eine engmaschige Überwachung kann die Einhaltung eines Grenzwertes der Oberflächenspannung als Kriterium dienen – steigt die Oberflächenspannung auf diesen Wert an, muss nachdosiert werden. Je nach Konzentrationsbereich kommen dafür klassische Verfahren wie Ringmethode oder Plattenmethode oder die dynamische Blasendruckmessung in Frage. Letztere kann auch mobil und durch sekundenschnelle Einpunktmessungen erfolgen.

Qualitätsprüfung in der Wasseraufbereitung für die Halbleiterindustrie

In der Halbleiterindustrie ist der Wasserverbrauch besonders hoch. Chipfabriken unterhalten in der Regel einen eigenen Wasserkreislauf, um aus dem belasteten Abwasser die für die Waferherstellung erforderlichen, großen Mengen hochreinen Wassers (ultrapure water, UPW) zurückzugewinnen. Auch dabei spielt die Entfernung von Tensiden, die zum Beispiel beim Polieren und Reinigen der Wafer eingesetzt werden, eine große Rolle. Die Oberflächenspannung des Wassers ändert sich schon bei sehr geringen Tensidverunreinigungen und ist deshalb ein wichtiges Prüfkriterium, um die Qualität des Wassers zu beurteilen oder Schwachstellen im komplexen Filtersystem zu ermitteln.