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Online-Optimierung eines Absorptions- und Desorptionsprozesses für die Koksofengasreinigung

In der Prozessindustrie sind die Anforderungen an die Verfahren wie preiswertes Design und umweltschonenden Betrieb vielseitig, und teilweise auch gegenläufig. Hierdurch steigt der Bedarf an flexibleren Produktionsanlagen, um den steigenden Anforderungen bezüglich der schnell wechselnden Marktanforderungen und der Umweltverträglichkeit gerecht zu werden. Ressourcenschonung und Reduzierung der Umweltbelastung sind Ziele, die die gängigen Verfahren aufgrund der sich ändernden Umweltauflagen (Reinheit der Gasemission) an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit bringen. Die Reaktivabsorption und die anschließende Desorption stellt durch die Kombination von Stofftrennung und chemischer Reaktion in Mehrkomponentensystemen ein sehr komplexes Verfahren mit einem hohen Optimierungspotential dar. Dies gilt insbesondere für die im Rahmen des Forschungsprojektes zu untersuchende Ammoniak-Schwefelwasserstoff-Kreislaufwäsche zur Reinigung von Kokereiabgasen. Bei diesem industriell relevanten und hier exemplarisch ausgewählten Prozess basiert der konventionelle Betrieb integrierter Kolonnensysteme auf der vorherigen Auslegung für einen konstanten Betriebspunkt. In der Realität ändern sich jedoch die Randbedingungen, so dass die Prozesse am vorgegebenen Betriebspunkt nicht optimal betrieben werden können. Hier liegt die besondere wissenschaftliche Herausforderung bezüglich der Online-Optimierung, die Umweltrestriktionen sowie alle Produktanforderungen unter den gegebenen Anlagenbegrenzungen und den sich ändernden Echtzeit-Randbedingungen zur Minimierung der Betriebskosten gleichzeitig einzuhalten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird eine Methodik zur Online Optimierung entwickelt und an einer realen Anlage (AS-Kreislaufwäsche) im Pilotmaßstab erprobt und bewertet. Als Ergebnis ist ein effizientes robustes Online-Optimierungssystem zur Ermittlung optimaler Prozessführungsstrategien für dynamische nichtlineare große Systeme unter Echtzeit-Randbedingungen zu erwarten. Die zu entwickelnde Methodik der Online-Optimierung ist allgemeingültig und soll für die Optimierung anderer Prozesse übertragbar sein.

Betriebsstabile Deammonifikation mit Swinging Redox

Seit dem Jahr 2009 werden an der Technischen Universität München, vom Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft, Untersuchungen zur Deammonifikation im SBR durchgeführt, bei der mittels Intervallsteuerung und spezieller Regelstrategie das gleichmäßige Schwingen des Redoxpotentials (ORP) im Fokus steht. Postuliert wird bei dieser Methode die Unterstützung eines enzymgebundenen Ladungsaustauschs zur Regeneration der Biozönose im wechselnden Milieu von Oxidation und Reduktion. Die ORP-Amplituden zeigen während der aeroben und anoxischen Phasen typische Signale, die mit den Stickstoff-Konzentrationen korrelieren. Als Resümee ist herauszustellen, dass der Prozess mit Kläranlagen-Belebtschlamm und deammonifizierendem Schlamm aus vorangegangenen Untersuchungen angefahren werden kann. Gesamtstickstoff-Abbaugrade von 90 % werden bei einer Betriebs-Temperatur von 30 °C und Belastung von mehr als 380 gN/(m3 d) erreicht. Nach zwei Jahren Betriebserfahrung mit der Behandlung von KA-Zentraten aus Garching und Ingolstadt in mehreren 150 l SBR-Technikumsanlagen wurde von 2010 bis 2012 im Klärwerk Landsberg an einer Pilotanlage mit 20 m3 SBR eine automatische Steuerung entwickelt, die eine betriebsstabile Prozessführung ermöglicht. Seitdem sind im Rahmen von Master- und Studienarbeiten die optimalen Betriebsbereiche zur Deammonifikation im Technikum präzisiert worden. Um Substrat-Hemmung sowie Nitrat-Akkumulation zu vermeiden, ist bei der Prozessregelung strickt auf Konzentrationsgradienten und ORP-Amplituden-Grenzwerte zu achten. Für die Einfahrphase hat sich die Zugabe von einem Viertel Kläranlagen-Zulauf zum Zentrat bewährt, um besonders im Teillastbereich ein ausreichendes Reduktionspotential vorzugeben. Weitere Additive sind im Regelbetrieb nicht erforderlich. Die jüngsten Ergebnisse zeigen, dass bei Voll-Last, das heißt bei einer Abbauleistung von mehr als 360 gN/(m3 d) und Zulaufkonzentrationen von 1.400 mg/l NH4-N, auch die Nitrat-Konzentration im Ablauf auf weniger als 5 % reduziert werden kann. Mit der Online-Messung von ORP, LF und pH ist der Prozess stabil zu führen. Ammonium, Nitrat und TS werden zwei bis dreimal pro Woche gemessen.

Dynamische Modellierung von komplexen aeroben Abwasserreinigungsanlagen zum Zweck der Regelung und Optimierung

Seit das Belebtschlammverfahren in seinen Grundzuegen durch Publikationen und Patentanmeldungen von Ardern und Lockett im Jahre 1914 vorgestellt wurde, hat es sich zum Standardverfahren zur Reinigung kommunaler Abwaesser entwickelt, wobei es inzwischen auch gelungen ist, mit diesem Verfahren neben den Kohlenstoffverbindungen die Stickstoff- und Phosphorverbindungen aus dem Abwasser zu entfernen. Wurden frueher Belebungsanlagen noch aufgrund von vorwiegend hydraulischen Groessen ausgelegt, so sind heute aufgrund der immer umfangreicheren und strengeren Anforderungen der Abwasserverwaltungsvorschriften an die Reinigungsleistung einer Klaeranlage entsprechend komplexere Dimensionierungsbeziehungen zu beruecksichtigen. Bei der Planung neuer Anlagen, insbesondere fuer hoeherbelastete Abwaesser und Industrieabwaesser, gilt es zudem, neue Entwicklungen wie die Turmbiologie, Hochleistungsreaktoren (Kompaktreaktor, Hubstrahlreaktor, Prallstrahlreaktor) oder den Festbett- und Wirbelschichtreaktor als eine Altemative zum klassischen Belebungsbecken heranzuziehen und zu bewerten. Beim Betrieb werden wegen der steigenden Komplexitaet der Anlage und der erhoehten Anforderungen hinsichtlich der zulaessigen Grenzwerte und der Zahl der zu eliminierenden Schadstoffe sowie im Hinblick auf die Anlagensicherheit und die Ueberwachung der Grenzwerte zunehmend die Moeglichkeiten von on-line Messtechniken und modernen Regelungsstrategien Verwendung finden muessen. Ziel dieses Vorhabens ist es, - ein von der International Association on Water Pollution Research and Control (IAWPRC) entwickeltes mathematisches Modell zur Simulation von kommunalen Abwasserreinigungsanlagen fuer die dynamische Simulation von Anlagen fuer die Reinigung komplexer Abwaesser wie Deponiesickerwaesser und Industrieabwaesser zu erweitern, wobei eine objektorientierte Modellerstellungsumgebung entwickelt werden soll, die es gestattet, alle Projektphasen einer Simulation zu unterstuetzen, und - unter Verwendung der dynamischen Simulation Regelungs- und Optimierungsstrategien fuer komplexe Abwasserreinigungsanlagen unter Einsatz von on-line Messtechniken zu entwickeln. Dabei sollen sowohl analytische Verfahren, als auch sogenannte wissensbasierte Verfahren auf Basis der Fuzzy-Logik und Neuronalen Netze eingesetzt werden mit dem Ziel, dureh Kombination beider Verfahren hybride, adaptive Verfahren zu entwickeln.

Untersuchungen zur anaeroben Reinigung des Abwassers einer Zitronensaeurefabrik

Bei der Zitronensaeureherstellung aus Melasse fallen grosse Mengen hochkonzentrierter Abwaesser an, deren Reinigung durch den Einsatz der anaeroben Verfahren wirtschaftlich tragbar wird. Die bei diesem Prozess entstehenden grossen Mengen an Faulgas koennen einen bedeutenden Teil des Primaerenergiebedarfes der Fabrik decken. Bedingt durch die Zusammensetzung des Abwassers treten eine Fuelle von Problemen mikrobiologischer und technologischer Natur auf.

Reinigung von gasförmigem Chlorwasserstoff

Die WACKER Chemie AG ist ein weltweit tätiges Chemieunternehmen mit rund 16.000 Mitarbeitenden und einem Jahresumsatz von 5,5 Milliarden Euro im Jahr 2025. Das geförderte Projekt „Errichtung und Betrieb einer Anlage zur Reinigung von gasförmigem Chlorwasserstoff“ wurde im Geschäftsbereich WACKER Silicones am Standort Burghausen durchgeführt. WACKER Silicones ist europäischer Marktführer und weltweit die Nummer zwei im Bereich Silikone. Silikone finden in zahlreichen Industrien Anwendung. Bei der Herstellung von Silikonen entstehen durch Hydrolyseprozesse siliziumorganische Nebenprodukte, die als gelöste Verbindungen ins Betriebsabwasser gelangen. Diese Stoffe sind in der nachgeschalteten zentralen biologischen Abwasserreinigungsanlage des Standortes Burghausen nur schwer biologisch abbaubar. Eine nachträgliche physikalische Abtrennung aus dem Abwasser ist mit verhältnismäßigen Mitteln technisch nicht umsetzbar. Die Kontrolle erfolgte bislang über den Summenparameter „Gesamter Organischer Kohlenstoff“ (TOC); spezifische Überwachungswerte für siliziumorganische Verbindungen bestehen nicht. Ziel des Projektes war die Errichtung einer neuartigen HCl-Reinigung im Methanolyse-Betrieb E2, um siliziumorganische Verunreinigungen bereits im Produktionsprozess zurückzugewinnen und so den Eintrag ins Abwasser deutlich zu reduzieren. Erwartet wurde eine Rückgewinnung von rund 90 Prozent der siliziumorganischen Verbindungen aus dem Prozessabwasser des Methanolysebetriebs, entsprechend einer Reduktion von etwa 40 Tonnen pro Jahr TOC bzw. rund 35 Prozent der im betrieblichen Abwasser der E2 enthaltenen TOC-Fracht. Das entwickelte Verfahren basiert auf einem zweistufigen Waschprozess zur Reinigung des bei der Hydrolyse anfallenden Chlorwasserstoffs. Die Waschmedien und abgetrennten Stoffe werden in den Produktionskreislauf zurückgeführt, während angereicherte C7-Kohlenwasserstoffe thermisch verwertet werden. Durch die Inbetriebnahme der HCl-Reinigung konnte die TOC-Fracht im Betriebsabwasser von ca. 113 Tonnen pro Jahr (2021) auf ca. 52 Tonnen pro Jahr (2025) und damit um über 50 Prozent gesenkt werden. Unter Berücksichtigung leicht geringerer Produktionsmengen ergibt sich eine relative Reduzierung von ca. 47,5 Prozent und damit deutlich mehr als ursprünglich erwartet. Gleichzeitig trat der prognostizierte Mehrverbrauch an Betriebsmitteln nicht ein. Durch einen geringeren Einsatz von Wasch-Methylchlorid und die Optimierung des Kondensationssystems konnten Dampf- und Kühlwasserverbrauch reduziert werden. Insgesamt führt der Betrieb der HCl-Wäsche zu Einsparungen von Betriebsmitteln in der MeCl-Anlage. Die Maßnahme dient der nachhaltigen Sicherung der Grundstoffproduktion im Geschäftsbereich Silikone am Standort Burghausen. Das entwickelte Verfahren stellt eine zukunftsfähige Lösung zur Verringerung siliziumorganischer Einträge ins Abwasser dar und besitzt Modellcharakter für andere Hersteller von Siloxanen. Die weltweite Siloxanproduktion beträgt rund 3.000 Kilotonnen pro Jahr und wächst jährlich um etwa 5 Prozent, sodass das Verfahren grundsätzlich von allen Silikonherstellern in den Teilprozessen Hydrolyse und Chlormethansynthese eingesetzt werden kann. Branche: Chemische und pharmazeutische Erzeugnisse, Gummi- und Kunststoffwaren Umweltbereich: Wasser / Abwasser Fördernehmer: Wacker Chemie AG Bundesland: Bayern Laufzeit: 2022 - 2026 Status: Abgeschlossen

Sanierung der Ruestungsaltlast Hirschhagen - Reinigung nitrotoluolbelasteter Grundwaesser durch eine biologische Container-Klaeranlage mit nachgeschalteter oxidativer Stufe

In zwei vorlaufenden Verfahrensstufen konnte nachgewiesen werden, dass NT-haltige Grundwaesser mit Konzentrationen bis ueber 30000 Mikrogramm/l durch eine Kombination der Verfahrensstufen Biologie/Ozon bis auf kleiner 220 Mikrogramm/l (Biologie) und kleiner 15 Mikrogramm/l (Ozonisierung) gereinigt werden koennen. In 1993/94 wird durch einen Langzeitversuch in der 3. Stufe der Verfahrensentwicklung eine Anlage mit einer Durchsatzleistung von 1 Kubikmeter/h in der Kombination der Verfahrensstufen Biologie/UV-Wasserstoffperoxid betrieben. Aus dem Betrieb dieser Anlage sollen Kenndaten zur Entwicklung einer geplanten technischen Anlage mit einer Durchsatzleistung von 30 Kubikmeter/h abgeleitet werden.

Recycling von Prozessabwasser mit Rueckgewinnung von Schwefelsaeure in der Batterieherstellung

Bei der Batterieherstellung fallen beim Saeurefreiwaschen der formierten Elektroden grosse Mengen Abwasser an, die mit Schwefelsaeure, Blei und anderen Schwermetallen belastet sind. Zur Verminderung dieser Belastungen werden bisher die mehrstufige Kaskadenspuelung im Gegenstrom und Ableitung des anfallenden Spuelkonzentrats ueber eine Neutralisationsfaellung oder die Kreislauffuehrung ueber eine dreistufige Faellung nach dem Walhalla-Verfahren eingesetzt. Nachteilig hierbei ist der Schlammanfall, der mit grossem Aufwand verwertet werden muss. Im vorliegenden Vorhaben wird der Gesamtanfall von Abwasser im Bereich der Elektrodenwaesche durch die Anwendung und Optimierung von physikalischen Kreislaufbehandlungsverfahren mindestens halbiert und die anfallenden Reststoffe intern oder extern verwertet. Folgende Verfahrenskombinationen kommen zur Anwendung. Optimierung des Waschverfahrens zur Erhoehung der Konzentration der Spuelwaesser und Minimierung der Wassermenge. Entfernung des feinpartikulaer vorhandenen Bleis durch eine optimierte Mikrofiltration. Der zurueckgehaltene Bleischlamm kann in der Sekundaerverhuettung wieder eingesetzt werden. Entfernung der geloesten Schwermetalle durch Kationentauscher. Aufkonzentrierung der Loesung durch eine Elektrodialyse. Die hierbei erzeugte 10-prozentige Schwefelsaeure wird in die Produktion zurueckgefuehrt, das an Schwefelsaeure verarmte Wasser wird wieder im Spuelprozess eingesetzt. Bei dieser Verfahrensweise werden die Ableitung von grossen Mengen sulfathaltiger Abwaesser und die Entstehung von schwermetallhaltigen Gipsschlaemmen aus der konventionellen Abwasserbehandlung vermieden.

Entwicklung und Vergleich von Membranverfahren zur Leistungssteigerung der kommunalen Abwasserreinigung durch die Kombination von Belebungsbiologie und Mikrofiltration sowie Bau und Optmierung einer technischen Versuchsanlage

Entwicklung eines Verfahrens zum Entlacken und zum Entfernen von Schichten von Flaechen durch eishaltiges Hochdruckwasser und Bau eines Prototyps der Eisstrahlanlage

Kiesvorfilter als Vorbehandlungsstufe zu Langsamsandfiltern

Eingehende Labor- und Pilotversuche haben gezeigt, dass der horizontal durchflossene Kiesfilter ein einfaches und daher vielversprechendes Verfahren fuer die Vorbehandlung von Oberflaechenwasser ist, das hohe Truebung aufweist und daher nicht direkt in einem Langsamsandfilter aufbereitet werden kann. Ziel der naechsten Projektphase ist die praktische Erprobung und Verbreitung solcher Kiesvorfilter in verschiedenen Entwicklungslaendern. Zur Zeit sind Demonstrationsanlagen in Tanzania, Kenya und Peru in Planung oder in Ausfuehrung. Weitere Projekte zeichnen sich fuer Kolumbien, Togo, Sudan und Indien ab. Ungefaehr 12 Demonstrationsanlagen in 6 verschiedenen Laendern sollen gebaut, betrieben und evaluiert werden. Der FB HYGEL uebernimmt die technische Beratung fuer die Bauprojekte, erarbeitet Vorschlaege fuer das Monitoring und evaluiert die Felderfahrungen. Sobald genuegend Felderfahrungen vorhanden sind (in 2-3 Jahren), soll das Projekt mit der Herausgabe eines Leitfadens fuer Dimensionierung, Betrieb und Unterhalt eines Kiesvorfilters abgeschlossen werden.

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