Industriewasser spielt in modernen Industriesystemen eine entscheidende Rolle. Es ist ein grundlegendes Element für den reibungslosen Ablauf der industriellen Produktion, und fast alle Phasen eines Produkts – von den Rohstoffen über die Verarbeitung bis hin zur Formgebung – sind ohne Wasser nicht möglich. Im Allgemeinen umfasst Industriewasser nicht nur das im Produktionsprozess verwendete Wasser, sondern auch das Brauchwasser für die Mitarbeiter im Fabrikgelände.
In diesem Dokument werden die Klassifizierung, Wasserqualität und Vorbehandlungsanforderungen für die industrielle Wassernutzung analysiert, die entsprechenden Technologien zur Schadstoffkontrolle und Recyclingansätze erörtert und Referenzen für Unternehmen bereitgestellt, die nach besseren industriellen Wasserdienstleistungen suchen.
Warum sollten wir den industriellen Wasserverbrauch verstehen?
Industrielle Wasserprojekte stehen nicht nur im Zusammenhang mit der Qualität und Effizienz der industriellen Produktion, sondern sind auch eng mit dem Umweltschutz und der nachhaltigen Ressourcennutzung verknüpft. Der Weltwasserentwicklungsbericht 2024 der Vereinten Nationen mit dem Titel „Wasser für Wohlstand und Frieden“ weist darauf hin, dass Probleme im Zusammenhang mit der Wasserverfügbarkeit und -qualität Risiken für die Industrie darstellen und zu Unterbrechungen der Lieferketten führen können. Dies beeinträchtigt unmittelbar die industrielle Entwicklung (und damit die Wirtschaft). Die Reduzierung des Wasserbedarfs und der schädlichen Abwassereinleitung kann eine Win-Win-Situation im Bereich des Wasserschutzes und der Gewässerverschmutzungsbekämpfung schaffen.
Da das traditionelle Wasserressourcenentwicklungsmodell die ökologische Grenze erreicht hat, ist still und leise die Industrie für die Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser entstanden. Sie ist zu einer wichtigen Ergänzung des industriellen Wassersystems geworden und fördert die Umstellung der industriellen Wassernutzung vom linearen Verbrauch auf einen geschlossenen Kreislauf. Durch fortschrittliche Wasseraufbereitungstechnologien wird Abwasser so aufbereitet, dass es den Wasserqualitätsstandards für Industriewasser entspricht, und anschließend in der industriellen Produktion wiederverwendet. Dies lindert nicht nur den Druck der Wasserknappheit erheblich, sondern senkt auch die Wasserkosten von Industrieunternehmen deutlich.
Was ist industrielle Wassernutzung? Wie werden sie klassifiziert?
Industriewasser ist der allgemeine Begriff für Wasser, das in verschiedenen Abteilungen von Industrie- und Bergbauunternehmen zur Herstellung, Verarbeitung, Kühlung, Klimatisierung, zum Waschen, für Kessel und in anderen Bereichen des industriellen Produktionsprozesses verwendet wird, sowie für Brauchwasser für die Mitarbeiter in den Unternehmen. Industriewasser stammt hauptsächlich aus Oberflächenwasser, Grundwasser, Leitungswasser, Meerwasser, Recyclingwasser und anderen Wasserquellen, die zusammenfassend als „Rohwasser“ bezeichnet werden. Nach der Aufbereitung wird Rohwasser in enthärtetes Wasser, demineralisiertes Wasser, Reinwasser, Reinstwasser usw. umgewandelt. In manchen Industrieunternehmen wird Wasser häufig nach seinem spezifischen Verwendungszweck und seiner Wasserqualität klassifiziert. Beispielsweise gibt es Maischewasser in der Bierindustrie, Neutralisations- und Entfärbungswasser in der Mononatriumglutamatindustrie und Aschespülwasser in der Wärmekraftindustrie.
1.Was ist Produktionswasser?
Produktionswasser bezeichnet Wasser, das direkt in der industriellen Produktion verwendet wird. Dazu gehören indirektes Kühlwasser, Prozesswasser und Kesselwasser.
2.Was ist indirektes Kühlwasser?
Im industriellen Produktionsprozess bezieht sich indirektes Kühlwasser auf das Kühlwasser, das zum Absorbieren oder Übertragen überschüssiger Wärme von Produktionsanlagen verwendet wird, um sicherzustellen, dass die Anlagen bei einer normalen Temperatur arbeiten.
3.Was ist Prozesswasser?
In der industriellen Produktion bezeichnet Prozesswasser das Wasser, das zur Herstellung und Verarbeitung von Produkten verwendet wird, sowie Wasser, das mit den Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen in Zusammenhang steht. Dazu gehören Produktwasser, Waschwasser, direktes Kühlwasser und andere Wasserarten.
4.Was ist Kesselwasser?
Kesselwasser ist ein allgemeiner Begriff für Wasser, das in Kesseln zur Dampferzeugung für industrielle Prozesse, zum Heizen oder zur Stromerzeugung verwendet wird, sowie für Wasser zur Kesselwasseraufbereitung. Dazu gehören Kesselspeisewasser und Kesselwasseraufbereitungswasser.
5.Was ist Brauchwasser?
Unter Brauchwasser versteht man allgemein Wasser, das von den Mitarbeitern im täglichen Leben in Fabrikbereichen und Werkstätten verwendet wird, sowie sonstiges Wasser für andere Zwecke.
Was sind die Wasserqualitätsindikatoren für Industriewasser? Wie wird es getestet?
Wenn dieselbe Tasse Wasser in ein Stahlwerk im deutschen Ruhrgebiet und in eine Textilfabrik im indischen Gujarat fließt, muss es völlig unterschiedliche „Nutzungsregeln“ einhalten – und die Qualitätsstandards für Industriewasser sind die konkrete Verkörperung dieser Regeln.
Anwendungsszenarien, regionale Unterschiede und regulatorische Wechselwirkungen führen dazu, dass die Anforderungen an die Wasserqualität in verschiedenen Regionen und Industriezweigen erheblich voneinander abweichen. Die Halbleiterindustrie beispielsweise stellt extrem hohe Anforderungen an die Wasserreinheit und muss verschiedene Ionen und organische Substanzen aus dem Wasser entfernen, um die Produktionsqualität elektronischer Bauteile sicherzustellen. Die Papierindustrie hingegen hat vergleichsweise geringere Anforderungen an die Wasserqualität und konzentriert sich hauptsächlich auf den Gehalt an Schwebstoffen und organischen Stoffen im Wasser. Selbst bei ultrareinem Wasser legt die Lebensmittelindustrie größeren Wert auf mikrobielle Kontrolle und Grenzwerte für chemische Schadstoffe, und ihre Indikatoren sind weit weniger streng als die der Halbleiterindustrie.
Die Wasserqualität von Industriewasser hängt eng mit dem wirtschaftlichen Entwicklungsstand zusammen. Industrieregionen wie die USA, die Europäische Union und Japan verfügen über fortschrittlichere Technologien zur industriellen Wasseraufbereitung und setzen generell höhere Wasserqualitätsstandards um. Beispielsweise klassifiziert der amerikanische Standard ASTM Reinstwasser mit einem spezifischen Widerstand von über 18.1 MΩ·cm basierend auf der theoretischen Grenze des spezifischen Widerstands von Reinstwasser (18.3 MΩ·cm) in drei Klassen: Typ E-1, Typ E-1.1 (der derzeit von den meisten Halbleiterherstellern erreichbare Standard) und Typ E-1.2.
Die Klassifizierung reiner Wasserqualitäten stellt eine Kombination aus Standardisierung und Spezialisierung dar. Das Ungleichgewicht der globalen Wasserqualitätsstandards ist jedoch nicht nur Ausdruck technologischer Lücken, sondern auch ein Mikrokosmos unterschiedlicher Stadien der wirtschaftlichen Entwicklung.
Die Prüfung und Verwaltung von Industriewasser liegt in der Regel in der Verantwortung der Unternehmen selbst. Um den stabilen Betrieb der Wasseraufbereitungstechnologien zu gewährleisten, müssen die Unternehmen während des Wasseraufbereitungsprozesses eine Echtzeitüberwachung und -kontrolle verschiedener Indikatoren durchführen.
Derzeit erlebt der Bereich der industriellen Wasserqualitätsprüfung einen technischen Paradigmenwandel: Von der traditionellen Offline-Laboranalyse hin zu Online-Überwachung, Echtzeit-Frühwarnung und intelligenter Entscheidungsfindung. Dieser Wandel wird durch die Integration verschiedener Disziplinen wie Sensortechnologie, Mikrofluidik-Chips, Spektralanalyse und künstlicher Intelligenz vorangetrieben, was die Prüfeffizienz und den Datenwert deutlich verbessert.
Wie behandelt man industriellen Wasserverbrauch?
An Industriewasser werden strenge Anforderungen gestellt, und Industrieabwasser ist zu einer der Hauptquellen der Wasserverschmutzung geworden. Ausgehend von den Kernzielen „Rohwasserreinigung“ und „Abwasserbehandlung“ lässt sich die Industriewasseraufbereitung in fünf Kernmodule unterteilen: die Vorbehandlungsphase, die Aufbereitung des Produktionsprozesses, die Aufbereitung des zirkulierenden Kühlwassers, die Aufbereitung des Produktionsabwassers und die Aufbereitung des wiedergewonnenen Wassers. Jedes Modul hat klar definierte Funktionen und Behandlungsziele.
Die Vorbehandlungsstufe dient als erste Verteidigungslinie. Sie führt eine Vorbehandlung des Rohwassers durch, um Systemverstopfungen, Korrosion oder Verunreinigungen zu verhindern und so qualifiziertes Rohwasser für die industrielle Produktion bereitzustellen. Die Aufbereitung des Produktionsprozesswassers führt eine maßgeschneiderte Reinigung durch, um die Kernanforderungen der Produktion zu erfüllen.
Ziel der Produktionsabwasseraufbereitung ist die Einhaltung der Abwasservorschriften und die Reduzierung von Umweltrisiken. Die Kühlwasseraufbereitung erfordert einen umfangreichen Einsatz von Kühlwasser zur Kühlung der Anlagen und muss Anlagenausfällen durch schlechte Wasserqualität vorbeugen.
Abschließend werden das Vorbehandlungsabwasser, das Umlaufwasserabwasser und das Produktionsabwasser, das die Abwassernormen erfüllt, einer umfassenden Behandlung unterzogen. Durch diesen Prozess wird das Wasser den Standards für „wiederaufbereitetes Wasser“ gerecht und kann in nicht zum Kerngeschäft gehörenden Produktionseinheiten wiederverwendet werden. So entsteht ein geschlossener Wasserkreislauf. Dies ist auch die Kernausrichtung der industriellen Wassereinsparung.
Das technologische Kernsystem für die industrielle Abwasseraufbereitung
Derzeit werden industrielle Wasseraufbereitungsverfahren hauptsächlich nach ihren technischen Prinzipien und Behandlungsstufen in physikalische, chemische, biologische, Membrantrenn- und andere Methoden unterteilt. Diese Methoden werden üblicherweise in Kombination eingesetzt, um komplexe Wasserqualitäten zu bewältigen.
1.Physikalische Behandlungstechnologie
Die physikalische Aufbereitungstechnik trennt Schwebstoffe, Kolloide und bestimmte lösliche Substanzen im Wasser durch Nutzung der physikalischen Eigenschaften von Materialien, ohne die Molekularstruktur der Schadstoffe zu beschädigen. Üblicherweise werden Quarzsand, Aktivkohle, Ultrafiltrationsmembranen und andere Materialien zur Filtration und Siebung verwendet. Schwebstoffe werden durch Schwerkraft oder Zentrifugalkraft abgetrennt und Schwankungen der Wasserqualität und -quantität werden durch Wassertanks oder Ausgleichsbehälter ausgeglichen. Die Vorteile der physikalischen Aufbereitung liegen im geringen Energieverbrauch und der einfachen Handhabung. Ihre Wirkung auf die Entfernung löslicher Schadstoffe ist jedoch begrenzt, sodass sie meist als Vorbehandlungsstufe eingesetzt wird.
2.Chemische Behandlungstechnologie
Die Reinigung erfolgt durch die Zugabe chemischer Wirkstoffe, die die chemischen Bindungen von Schadstoffen aufbrechen oder ihre bestehende Form verändern. Beispielsweise können Zusatzstoffe wie Polyaluminiumchlorid (PAC) und Polyacrylamid (PAM) winzige Kolloide destabilisieren und zu großen Flocken aggregieren, wodurch sie leichter durch Sedimentation oder Filtration entfernt werden können. Die Zugabe von Natriumhypochlorit, Ozon oder ultraviolette (UV-)Strahlung kann Mikroorganismen abtöten. Chemische Behandlungstechnologien wirken schnell und sind hocheffizient, können aber Sekundärverschmutzung verursachen, daher muss die Dosierung chemischer Wirkstoffe streng kontrolliert werden.
3. Biologische Behandlungstechnologie
Mithilfe der Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen wandelt es Schadstoffe wie organische Stoffe, Stickstoff und Phosphor im Wasser in Kohlendioxid, Wasser und andere Substanzen um. Das kombinierte anaerob-aerobe Verfahren ist die gängige Technologie zur Behandlung von Abwasser mit geringer Toxizität und hohem organischen Anteil. Schadstoffe wie CSB und BSB werden durch Belebungsbecken und biologische Filter entfernt, wodurch die Belastung der nachfolgenden chemischen Behandlung reduziert wird. Die biologische Behandlungstechnologie ist kostengünstig und läuft stabil, ihre Wirkung auf feuerfeste organische Stoffe ist jedoch begrenzt, sodass sie in der Regel in Kombination mit anderen Verfahren eingesetzt werden muss.
4. Membrantrenntechnologie
Die Membrantrenntechnologie umfasst hauptsächlich Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose und andere Verfahren. Sie bietet Vorteile wie hohe Trennleistung, geringen Energieverbrauch, keine Sekundärverschmutzung durch chemische Stoffe und eine stabile Abwasserqualität. Als technologischer Kernpfeiler für die Aufbereitung von Reinstwasser in Elektronikqualität durchläuft die Membrantrenntechnologie vier Hauptphasen: „Vorbehandlung → Primärentsalzung → Erweiterte Entsalzung → Endveredelung“. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bietet sie eine höhere Reinheit, einen stabileren Betrieb und einen geringeren Energieverbrauch. Allerdings sind die Investitionskosten relativ hoch und es kommt häufig zu Membranverschmutzung, sodass regelmäßige Reinigung und Wartung erforderlich sind.
5.Elektrochemische Wasseraufbereitungstechnologie
Die elektrochemische Wasseraufbereitung ist ein vielversprechendes neues Verfahren im Bereich der industriellen Wasseraufbereitung und entfernt Schadstoffe direkt oder indirekt durch Redoxreaktionen an der Elektrodenoberfläche. Sie bietet Vorteile wie milde Reaktionsbedingungen und keine Sekundärverschmutzung und ist hocheffizient bei der Behandlung von feuerfesten und hochgiftigen Schadstoffen. Beispielsweise kann die elektroheterogene Ozonkatalyse bei der Behandlung von Kokereiabwasser die TOC-Entfernungsrate auf das 1.5- bis 2.6-fache der Ozonoxidation allein steigern. Aufgrund des relativ hohen Energieverbrauchs wird sie derzeit jedoch hauptsächlich zur verbesserten Entfernung spezifischer Schadstoffe eingesetzt.
| Behandlungstechnologie | Prinzip | Vorteile | Einschränkungen |
|---|---|---|---|
| Physik | Filtration, Sedimentation | Niedriger Energieverbrauch, einfach | Begrenzt für lösliche Schadstoffe |
| Chemikalie | Koagulation, Desinfektion | Schnell, effektiv | Mögliche Sekundärverschmutzung |
| Biological | Abbau von Mikroorganismen | Niedrige Kosten, stabil | Unwirksam bei feuerfesten Schadstoffen |
| Membrantrennung | Druckbetriebene Filtration | Hohe Reinheit, keine Chemikalien | Hohe Kosten, Verschmutzungsprobleme |
| Elektrochemisch | Redoxreaktionen an Elektroden | Keine Sekundärverschmutzung, hohe Effizienz | Hoher Energieverbrauch |
Welche Technologien tragen zur Kreislaufwirtschaft bei der Wiederverwendung von Industriewasser bei?
Durch kontinuierliche Innovation hat sich beim Recycling von Industriewasser ein integriertes Behandlungsmodell aus „Membrantechnologie + fortschrittlicher Oxidation + biologischer Verbesserung + intelligenter Steuerung“ entwickelt.
1.Kerninnovationsrichtung: Membrantechnologie
Durch die selektive Permeabilität von Membranen können Wassermoleküle oder Lösungsmittel in Industriewasser unter Einwirkung von Druck- und Konzentrationsunterschieden die Membranporen passieren, während Verunreinigungen im Wasser – darunter Salze, organische Stoffe, Schwermetalle und Schwebstoffe – zurückgehalten werden. Dadurch wird Wasser gereinigt und recycelt. Die Porengröße und die Oberflächenladung der Membranen bestimmen ihr Rückhaltevermögen.
In der NEWater-Anlage zur Abwasserbehandlung in Changi, Singapur, wird aufbereitetes Wasser mithilfe modernster Membran- und Ultravioletttechnologie weiter gereinigt und erreicht so Trinkwasserqualität. Der Umkehrosmosebereich der Anlage verfügt über ein Energierückgewinnungssystem, das täglich 4,000 kWh Energie einspart und eine effiziente und energiesparende Aufbereitung des aufbereiteten Wassers ermöglicht.
2.Behandlung feuerfester organischer Stoffe: Fortschrittliche Oxidationstechnologie
In Szenarien wie der Trinkwasserdesinfektion, der Abwasserentfärbung beim Drucken und Färben sowie der Grundwassersanierung vor Ort kann fortschrittliche Oxidationstechnologie reaktive Spezies wie freie Radikale mit stark oxidierenden Eigenschaften (meist Hydroxylradikale ·OH) erzeugen. Unter Reaktionsbedingungen wie hohen Temperaturen und Drücken, Elektrizität, Schall, Lichteinstrahlung und Katalysatoren oxidiert sie makromolekulare, feuerfeste organische Stoffe im Wasser zu wenig oder gar nicht toxischen niedermolekularen Substanzen. Dadurch wird die Wasserqualität verbessert und das Wasser erfüllt die Standards für Recycling und Wiederverwendung.
Aufgrund ihrer starken Fähigkeit, biochemisch hartnäckige organische Schadstoffe abzubauen, hat sich die fortschrittliche Oxidationstechnologie zu einem Forschungsschwerpunkt der Branche entwickelt. Zu den wichtigsten Methoden zählen Ozonierung, Fentonoxidation, elektrochemische Oxidation, photochemische Oxidation, sonochemische Oxidation und katalytische Nassoxidation. Die elektroheterogene Ozonkatalysetechnologie erreicht eine 1.5- bis 2.6-mal bzw. 1.4- bis 5.8-mal höhere TOC-Entfernungsrate als die alleinige Ozonierung bei Druck- und Färbeabwässern bzw. pharmazeutischen Abwässern.
3. Verbesserung der Behandlungseffizienz: Bionisches Filtersystem
Das bionische Filtersystem ist eine wichtige Innovation zur Verbesserung der Effizienz des industriellen Wasserrecyclings. Es simuliert die Filtrations-, Adsorptions- und Abbaufunktionen natürlicher Organismen. Durch den künstlichen Aufbau von Filtereinheiten mit bionischen Mechanismen entsteht ein technisches System, das eine fortschrittliche Reinigung von aufbereitetem Wasser ermöglicht. Der Kern liegt in der Kombination natürlicher Reinigungsprinzipien mit Ingenieurtechnologie, um die Effizienz der Schadstoffentfernung und die Systemstabilität zu verbessern. Schadstoffe werden schließlich in unschädliche Substanzen zerlegt.
Es besteht normalerweise aus drei Kerneinheiten, die synergetisch zusammenarbeiten: der bionischen Abfangschicht zur Vorbehandlung, der bionischen biologischen Filterschicht und der fortschrittlichen Reinigungsadsorptionsschicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Filtertechnologien liegt die Hauptwettbewerbsfähigkeit in der effizienten Simulation natürlicher Mechanismen, die sich durch niedrigen Betriebsenergieverbrauch, hohe Stoßfestigkeit und Umweltfreundlichkeit auszeichnet.
4. Zukünftige Entwicklungsrichtung: Intelligente Wasserversorgungsunternehmen
Die Einbindung von KI in die wichtigsten Komponenten der Abwasseraufbereitung trägt zu einem geschlossenen Kreislauf bei und ermöglicht die Erreichung mehrerer Ziele, darunter eine verbesserte Aufbereitungseffizienz, geringere Energiekosten und eine stabile Abwasserqualität. So erkennt beispielsweise das KI-Frühwarnsystem der Suez Group in einem petrochemischen Park in Frankreich Schwermetallimpulse im Bereich von 0.1 ppm anhand spektraler Merkmale und verkürzt die Reaktionszeit auf 15 Minuten.
In der Brauchwasseraufbereitung weitet sich der Einsatz von KI von der Optimierung einzelner Prozessschritte hin zur intelligenten Steuerung und Regelung des gesamten Prozesses aus. Im Kern ermöglicht KI den Übergang von erfahrungsbasierten zu datenbasierten Verfahren durch datengestützte Wahrnehmung, Analyse, Entscheidungsfindung und Regulierung. Sie hat sich zu einer zentralen technischen Unterstützung für die Steigerung der Effizienz der Brauchwassernutzung und die Förderung des Wasserkreislaufs entwickelt. Der Digital Water Innovation Summit – im Rahmen der WATERTECH China – bringt KI-Experten zusammen und präsentiert Live-Demos und Pilotprojekte im Bereich des intelligenten Wassermanagements.
Schlusswort: Industrielles Wassermanagement ist ein systematisches Projekt, das die gemeinsamen Anstrengungen von Regierung, Unternehmen und verschiedenen gesellschaftlichen Akteuren erfordert. Durch die Etablierung wissenschaftlicher Wassermanagementsysteme, die Förderung fortschrittlicher Wasserspartechnologien und Technologien zur Wiederverwendung von Abwasser sowie die Stärkung des Wasserschutzes und der Gewässerbewirtschaftung kann eine nachhaltige Entwicklung des industriellen Wassers erreicht und somit ein wichtiger Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung von Wirtschaft und Gesellschaft geleistet werden.
Möchten Sie diese Technologien in der Praxis erleben oder sich mit Experten austauschen? WATERTECH China – eine führende Branchenplattform – veranstaltet große Messen wie die Wassermessen in Shanghai, Guangzhou und Peking. Diese Veranstaltungen der Wasserbranche bringen führende Wassertechnologieunternehmen, praxisnahe Fallstudien und digitale Innovationen aus den Bereichen industrielles Recycling, KI-gesteuerte Überwachung, Membransysteme und mehr zusammen. Die Teilnahme an diesen Messen oder das Verfolgen der aktuellen Entwicklungen bietet praktische Einblicke und wertvolle Networking-Möglichkeiten.
Referenz:
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11. 中国膜工业协会. 中国膜产业发展白皮书 [Weißbuch zur Entwicklung der Membranindustrie in China]. (auf Chinesisch).
