Die Aufgabenstellung

Schwefelverbindungen gehören zu den sehr häufig eingesetzten Chemikalien in der Industrie und finden sich daher auch dort im Abwasser wieder. Sulfatemissionen stellen für die Gewässer meist keine direkte Gefährdung dar, weil Sulfat chemisch kaum reagiert und nicht toxisch wirkt. Hohe Sulfatemissionen können allerdings ein Ungleichgewicht im natürlichen Schwefelkreislauf verursachen. Außerdem können hohe Konzentrationen an Sulfat in Gewässern über biologische Prozesse zur vermehrten Bildung von Schwefelwasserstoff und Schwefelsäure führen. Schwefelwasserstoff ist wegen seines unangenehmen und intensiven Geruchs nach faulen Eiern und seiner hohen Toxizität unerwünscht. Schwefelsäure kann zu Korrosionsproblemen und somit zu Schäden an Betonbauwerken führen. Aus diesen Gründen wurde in Österreich ein Grenzwert für die Sulfatkonzentration in Fließgewässern festgelegt. Bei der Ableitung sulfatreicher Industrieabwässer in kleine Gewässer kann es notwendig werden Sulfat aus dem Abwasser zu entfernen.

Das Prinzip

Sulfatreiche Industrieabwässer sind häufig auch mit organischen Stoffen verunreinigt. Sulfat reduzierende Bakterien können unter sauerstofffreien Bedingungen Sulfat dazu verwenden um aus der organischen Verunreinigung Energie für ihre Lebensvorgänge zu gewinnen. Die Endprodukte dieses Stoffwechsels sind die Gase Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S). Der Schwefelwasserstoff muss dann durch chemisch-physikalische oder biologische Verfahren aus dem Abwasser entfernt werden, weil er sonst bei Sauerstoffzutritt wieder zu Sulfat oxidiert würde. Die Anwendung dieser Zusammenhänge auf konkrete Abwasserprobleme erscheint daher in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Organische Verschmutzung und Sulfat werden ohne wesentlichen Einsatz von Energie und Chemikalien aus dem Abwasser entfernt (Gewässerschutz). Im Abwasser enthaltene Schwermetalle können mit H2S gefällt und allenfalls wieder verwendet werden. Auch die Rückgewinnung des Schwefels bzw. des Sulfates wird prinzipiell ermöglicht. Für die praktische Anwendung, müssen Prozessbedingungen und Verfahrensweisen gesucht werden, bei denen die gewünschten Prozesse stabil und möglichst wirtschaftlich ablaufen.

Die Herausforderung

Die prämierte wissenschaftliche Arbeit entstand im Zusammenhang mit einem Forschungsauftrag der Lenzing AG, dem weltweit größten integrierten Zellstoff- und Viskosefaserproduzenten. Das Abwasser aus der Viskosefaserproduktion ist durch hohe Konzentrationen an Sulfat und Zink und durch eine mittlere Belastung mit organischen Verunreinigungen charakterisiert. Im Rahmen des vierjährigen Forschungsprojektes wurde die Anwendbarkeit der theoretischen Grundlagen auf die Behandlung ausgewählter Abwasserströme aus der Viskoseproduktion in Labor- bzw. Pilotversuchen überprüft. Zentraler Teil dabei war die Ermittlung von Belastungskennwerten und Prozessbedingungen bei denen in der Praxis ein stabiler Prozess und eine optimierte Sulfatentfernung erwartet werden können.

Das Ergebnis

Mit einem anaeroben Abwassereinigungsverfahren ist es möglich, gleichzeitig Sulfat, Zink und organische Verunreinigung aus Abwasserströmen der Viskosefaserfabrik zu entfernen. Voraussetzung für einen stabilen Betrieb des Anaerobreaktors ist die Begrenzung der H2S-Konzentration im Gas unter 3 Vol.%. Höhere Konzentrationen an H2S bewirken eine ausgeprägte Hemmung der Sulfat reduzierenden Bakterien, die bis zum Prozessversagen führen kann. Die H2S-Entfernug muss daher in das Verfahrenskonzept integriert werden und kann entweder aus der flüssigen oder in der gasförmigen Phase erfolgen. H2S kann als Elementarschwefel zurück gewonnen und prinzipiell auch in den Viskoseproduktionsprozess rückgeführt werden. Über die Sulfidfällung kann eine weitgehende Entfernung des im Abwasser enthaltenen Zinks erzielt werden. Die Wiederverwertung des Zinks in der Viskosefabrik erscheint realisierbar und wirtschaftlich interessant.

Die Umsetzung

Die Untersuchungsergebnisse lieferten die Auslegungsdaten für die großtechnische Anlage zur Sulfatreduktion, die im Jänner 2004 in Betrieb gegangen ist. Mit dem entwickelten Anaerobverfahren werden der Energiebedarf und die Investitionskosten für die betriebliche Abwasserreinigung sowie die Kosten für die Klärschlammentsorgung vermindert. Es ergeben sich wirtschaftlich interessante Möglichkeiten für die Kreislaufführung des Rohstoffs Zink und möglicherweise auch für Schwefel. Die Ergebnisse der Dissertation von Vanessa Parravicini waren für das Unternehmen so interessant, dass es die Sperre der Veröffentlichung für 5 Jahre gefordert hat, was der Lenzing AG einen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz sichert.

Zur Person: Dr. Vanessa Parravicini wurde 1972 in Mailand geboren. 1991 bis 1998 studierte sie technischen Umweltschutz am Politecnico di Milano. Dabei absolvierte sie ihre Diplomarbeit an der TU in Kopenhagen. Nach Projekttätigkeiten im Umweltbereich in Österreich (u.a. für die Porr Umweltechnik GmbH) wechselte sie 2000 ans Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der TU Wien.

Zum Preis:

Der mit 13.000 Euro dotierte Ressel-Preis wird - heuer zum fünften Mal - am 22. Juni im Rahmen einer akademischen Feier an Frau Dr. Parravicini überreicht. Die Vorschläge erfolgen von den "Doktorvätern", im aktuellen Fall Professor Helmut Kroiss. Die Auswahl trifft eine sechsköpfige, TU-interne Jury unter Leitung des Vizerektors für Forschung. Ausgezeichnet werden Dissertationen, die in direktem Zusammenhang mit interdisziplinärer Drittmittelforschung stehen. Gefördert werden soll die Forschungstätigkeit der jeweiligen PreisträgerInnen. Forschungsbezogene Auslandsaufenthalte, Kongressteilnahmen und die Anschaffung von Geräten sollen dadurch wesentlich erleichtert werden.

Bisherige Ressel-PreisträgerInnen:
2002: Brigitte Nikolavcic, "Stickstoffentfernung mit Biofiltern"
2003: Alfred Weninger-Vycudil, "Entwicklung von Systemelementen für ein österreichweites Pavement Management System
2004: Armin M. Kanitsar, "Curved planar reformation for vessel visualization"
2005: Christian Briese, "Breakline Modelling from Airborne Laser Scanner Data"
2006: Vanessa Parravicini, "Anaerobe Biologische Sulfatentfernung aus Industrieabwässern"