Anwendungsbeispiel für Abwasserüberwachung bei der Spring Manufacturing Company

Bei der Oberflächenbehandlung von Federn wird die Phosphatierung eingesetzt, um eine Schutzschicht gegen Korrosion zu erzeugen. Dazu werden die Federn in eine Phosphatierungslösung getaucht, die Metallionen wie Zink, Mangan und Nickel enthält. Durch chemische Reaktionen bildet sich auf der Federoberfläche ein unlöslicher Phosphatsalzfilm.

Bei diesem Prozess entstehen zwei Hauptarten von Abwasser.
1. Abwasserlösung des Phosphatierungsbades: Das Phosphatierungsbad muss regelmäßig ausgetauscht werden, wodurch eine hochkonzentrierte Abwasserlösung entsteht. Zu den wichtigsten Schadstoffen zählen Zink, Mangan, Nickel und Phosphat.
2. Phosphatierungsspülwasser: Nach der Phosphatierung erfolgen mehrere Spülvorgänge. Obwohl die Schadstoffkonzentration geringer ist als im verbrauchten Bad, ist das Volumen beträchtlich. Dieses Spülwasser enthält Restmengen an Zink, Mangan, Nickel und Gesamtphosphor und stellt die Hauptquelle für Phosphatierungsabwasser in Quellwasserwerken dar.

Detaillierter Überblick über die wichtigsten Schadstoffe:
1. Eisen – Primärer metallischer Schadstoff
Quelle: Hauptsächlich bedingt durch das Beizverfahren, bei dem Federstahl mit Salzsäure oder Schwefelsäure behandelt wird, um Eisenoxid (Rost) zu entfernen. Dies führt zu einer signifikanten Freisetzung von Eisenionen in das Abwasser.
Begründung für Überwachung und Steuerung:
- Visuelle Auswirkungen: Bei der Einleitung oxidieren Eisen(II)-Ionen zu Eisen(III)-Ionen, wodurch rötlich-braune Eisen(III)-hydroxid-Niederschläge entstehen, die zu Trübung und Verfärbung der Gewässer führen.
- Ökologische Auswirkungen: Angesammeltes Eisen(III)-hydroxid kann sich auf Flussbetten ablagern, benthische Organismen ersticken und aquatische Ökosysteme stören.
- Infrastrukturprobleme: Eisenablagerungen können zu Verstopfungen der Rohre und einer verminderten Systemeffizienz führen.
Behandlungsbedarf: Eisen ist zwar relativ wenig toxisch, kommt aber typischerweise in hohen Konzentrationen vor und kann durch pH-Wert-Anpassung und Fällung effektiv entfernt werden. Eine Vorbehandlung ist jedoch unerlässlich, um Störungen nachfolgender Prozesse zu vermeiden.

2. Zink und Mangan – Das „Phosphatpaar“
Quellen: Diese Elemente stammen hauptsächlich aus dem Phosphatierungsverfahren, das für die Verbesserung der Rostbeständigkeit und Haftung der Beschichtung entscheidend ist. Die meisten Federnhersteller verwenden Zink- oder Manganphosphatierungslösungen. Durch das anschließende Spülen mit Wasser gelangen Zink- und Manganionen ins Abwasser.
Begründung für Überwachung und Steuerung:
- Wassertoxizität: Beide Metalle weisen selbst in niedrigen Konzentrationen eine erhebliche Toxizität gegenüber Fischen und anderen Wasserorganismen auf und beeinträchtigen Wachstum, Fortpflanzung und Überleben.
- Zink: Beeinträchtigt die Kiemenfunktion der Fische und mindert dadurch deren Atmungseffizienz.
- Mangan: Chronische Exposition führt zu Bioakkumulation und potenziell neurotoxischen Wirkungen.
- Einhaltung gesetzlicher Vorschriften: Nationale und internationale Einleitungsnormen legen strenge Grenzwerte für die Zink- und Mangankonzentrationen fest. Eine wirksame Entfernung erfordert in der Regel eine chemische Fällung mit alkalischen Reagenzien zur Bildung unlöslicher Hydroxide.

3. Nickel – Ein risikoreiches Schwermetall, das strenge Regulierungen erfordert
Quellen:
- In den Rohstoffen inhärent: Bestimmte legierte Stähle, einschließlich Edelstahl, enthalten Nickel, das sich beim Beizen in der Säure löst.
- Oberflächenbehandlungsverfahren: Bei einigen speziellen galvanischen oder chemischen Beschichtungen werden Nickelverbindungen verwendet.
Begründung für Überwachung und Kontrolle (kritische Bedeutung):
Gesundheits- und Umweltgefahren: Nickel und bestimmte Nickelverbindungen gelten als potenziell krebserregend. Aufgrund ihrer Toxizität, ihrer allergenen Eigenschaften und ihrer Fähigkeit zur Bioakkumulation stellen sie zudem Risiken dar und gefährden langfristig sowohl die menschliche Gesundheit als auch Ökosysteme.
- Strenge Einleitungsgrenzwerte: Vorschriften wie der „Integrated Wastewater Discharge Standard“ legen die niedrigsten zulässigen Konzentrationen für Nickel fest (typischerweise ≤0,5–1,0 mg/L), was dem hohen Gefährdungsgrad Rechnung trägt.
- Herausforderungen bei der Behandlung: Konventionelle Alkalifällungsverfahren erreichen möglicherweise nicht die erforderlichen Grenzwerte; für eine effektive Nickelentfernung sind häufig fortgeschrittene Methoden wie Chelatbildner oder Sulfidfällung erforderlich.

Die direkte Einleitung unbehandelter Abwässer hätte schwerwiegende und anhaltende Folgen für Gewässer und Böden. Daher müssen alle Abwässer vor der Einleitung ordnungsgemäß behandelt und strengen Tests unterzogen werden, um die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten. Die Echtzeitüberwachung am Einleitungsort ist für Unternehmen eine entscheidende Maßnahme, um ihrer Umweltverantwortung nachzukommen, die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen sicherzustellen und ökologische sowie rechtliche Risiken zu minimieren.