Süßmolke ist ein Nebenprodukt der Käseherstellung, das bei der Labgerinnung von Milch entsteht. Im Gegensatz zur Sauermolke hat Süßmolke einen höheren pH-Wert (6,0–7,0) und weist eine andere chemische Zusammensetzung auf, die sie zu einem vielseitigen, aber herausfordernden Stoffstrom in der industriellen Abwasserbehandlung macht. Aufgrund ihres hohen organischen Gehalts und ihrer wertvollen Bestandteile wie Laktose und Proteinen bietet Süßmolke sowohl potenzielle Umweltrisiken als auch Chancen für eine nachhaltige Verwertung.
In diesem Beitrag werden die chemischen Eigenschaften von Süßmolke, die Herausforderungen in der Abwasserbehandlung sowie moderne Technologien zur Verwertung und Behandlung umfassend dargestellt. Ein besonderer Fokus liegt auf biologischen Verfahren, Flotationsanlagen und Wasserrecyclingtechnologien.
Inhaltsverzeichnis
Eigenschaften von Süßmolke
Süßmolke hat eine komplexe Zusammensetzung, die ihre Behandlung und Verwertung in der industriellen Praxis beeinflusst.
Chemische und physikalische Parameter:
Organische Stoffe:
- Laktose: Der Hauptbestandteil von Süßmolke, etwa 4–5 %, macht sie zu einer leicht biologisch abbaubaren Substanz.
- Molkenproteine: Globuline und Albumine, die wertvolle Nährstoffe darstellen, jedoch in der Abwasserbehandlung zu Schlammbildung führen können.
- Lipide: Geringe Mengen an Fetten, die zu Biofouling führen können.
Mineralstoffe:
- Enthält Kalzium, Magnesium, Phosphor sowie Kalium- und Natriumsalze. Diese Salze beeinflussen die Leitfähigkeit und die chemische Behandlung.
pH-Wert:
- Neutral bis leicht alkalisch (6,0–7,0). Dies erleichtert biologische Prozesse, reduziert jedoch die Effizienz chemischer Fällungen.
CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf):
- Typisch 40.000–60.000 mg/l, was auf eine hohe organische Belastung hinweist.
BSB (Biologischer Sauerstoffbedarf):
- Meist 30.000–50.000 mg/l, was eine hohe biologische Abbaubarkeit signalisiert.
Herausforderungen bei der Behandlung von Süßmolke
Die Behandlung von Süßmolke stellt aufgrund der organischen Belastung und ihrer schwankenden Zusammensetzung spezifische Herausforderungen dar.
Hohe organische Belastung:
- Der hohe CSB- und BSB-Wert führt zu einer intensiven Belastung biologischer Kläranlagen.
- Erhöhte Schlammbildung ist häufig ein Problem, besonders in aeroben Systemen.
Nährstoffverfügbarkeit:
- Obwohl Süßmolke reich an Kohlenstoff ist, sind Stickstoff und Phosphor in Mengen vorhanden, die ein ausgewogenes mikrobielles Wachstum unterstützen.
Fett- und Proteinanteile:
- Diese Komponenten können zu Verstopfungen, Biofouling und erhöhtem Reinigungsaufwand führen.
Volatilität:
- Schwankende Abwassermengen und -zusammensetzungen, z. B. durch Reinigungszyklen, erschweren die Prozesssteuerung.
Entsorgungskosten:
- Die direkte Entsorgung von unbehandelter Süßmolke ist aufgrund der Umweltbelastung verboten und teuer.
Behandlung von Süßmolke-Abwasser
Die biologische Abwasserbehandlung ist eine bewährte Methode, um organische Verbindungen aus Süßmolke-Abwasser abzubauen. Hierbei kommen aerobe und anaerobe Verfahren zum Einsatz, die je nach Abwasserbelastung und Verfahrensziel ausgewählt werden.
1. Aerobe Behandlung
Prozessbeschreibung:
Beim aeroben Abbau nutzen Mikroorganismen Sauerstoff, um die organischen Bestandteile der Molke zu oxidieren und in CO₂, Wasser und Biomasse umzuwandeln. Diese Verfahren sind besonders effizient bei Brüdenkondensaten und verdünnten Abwässern.
Technologien:
Belebtschlammverfahren:
Mikroorganismen bauen die organischen Stoffe in belüfteten Reaktoren ab.- Geeignet für Abwässer mit niedriger bis mittlerer CSB-Belastung.
- Hoher Energiebedarf durch Belüftung.
Sequencing Batch Reaktor (SBR):
Zeitlich gesteuerte Prozesse in einem Reaktor, der sowohl aerobe als auch anoxische Phasen erlaubt.
Vorteile der aeroben Behandlung:
- Schnelle Abbauraten bei leicht abbaubaren organischen Stoffen.
- Produziert stabiles Abwasser mit geringer Restbelastung.
Nachteile:
- Hoher Energieverbrauch durch die Belüftung.
- Erhöhte Schlammbildung, die eine Nachbehandlung erfordert.
Foto: Belebungsbecken mit Denitrifikation und Nitrifikation für Abwässer aus der Lebensmittelindustrie (Verfahren: ALMA BHU BIO)
2. Anaerobe Behandlung
Prozessbeschreibung:
Beim anaeroben Abbau zerlegen Mikroorganismen die organischen Substanzen in einem sauerstofffreien Milieu. Die Endprodukte sind Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂), die als Biogas verwertet werden können. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für hochbelastete Abwässer wie Süßmolke.
Technologien:
1. UASB-Reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
- Funktionsweise:
Das Abwasser fließt von unten durch eine granulierte Biomasseschicht. Organische Stoffe werden abgebaut, und das entstehende Biogas steigt nach oben. - Vorteile:
- Kompakte Bauweise.
- Hohe Effizienz bei Abwässern mit mittlerer bis hoher Belastung.
2. EGSB-Reaktor (Expanded Granular Sludge Bed)
- Funktionsweise:
Ähnlich wie der UASB-Reaktor, jedoch mit verbesserter hydraulischer Durchmischung und einer höheren Durchflusskapazität. - Vorteile:
- Für stark belastete Abwässer geeignet.
- Höhere Biogasausbeute durch intensivere Kontaktzeiten.
Biogasausbeute
Die Biogasausbeute ist ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit der anaeroben Abwasserbehandlung. Sie hängt von der Zusammensetzung des Abwassers und den Prozessbedingungen ab.
Faktoren, die die Biogasausbeute beeinflussen:
Organische Belastung (CSB):
- Ein hoher CSB-Wert korreliert mit einer höheren Biogasausbeute.
- Typisch: 1 kg abgebauter CSB produziert 0,35–0,50 m³ Biogas.
Abwassertyp:
- Fett-, protein- und kohlenhydratreiche Abwässer: Hohe Biogasausbeute, da diese Substanzen energiereich sind.
- Schwer abbaubare Stoffe: Geringere Biogasausbeute, da mehr Energie für den Abbau benötigt wird.
Prozesstemperatur:
- Mesophile Bedingungen (30–40 °C): Gängig und wirtschaftlich.
- Thermophile Bedingungen (50–60 °C): Höhere Abbauraten, jedoch höhere Energiekosten.
pH-Wert:
- Optimaler Bereich: 6,5–7,5.
- Abweichungen führen zu Hemmung der Methanogenese.
Verweilzeit:
- Eine ausreichende hydraulische Verweilzeit (10–30 Tage) ist notwendig, um den Abbauprozess zu vervollständigen.
Typische Biogasausbeute:
- Molkeabwasser: 0,4–0,6 m³ Biogas pro kg CSB.
- Abwasser aus der Lebensmittelindustrie: 0,3–0,5 m³ Biogas pro kg CSB.
Vorteile der anaeroben Behandlung
Energiegewinnung:
Das bei der Methanogenese entstehende Biogas kann zur Energieerzeugung genutzt werden, was die Betriebskosten der Anlage reduziert.Hohe Abbaueffizienz:
Abbau von 70–90 % der organischen Belastung (gemessen als chemischer Sauerstoffbedarf, CSB).Geringe Schlammbildung:
Im Vergleich zu aeroben Verfahren wird nur etwa 10–20 % der Biomasse gebildet, wodurch Entsorgungskosten reduziert werden.Nachhaltigkeit:
Durch die Biogasausbeute wird fossile Energie ersetzt, und die Emissionen von Treibhausgasen werden verringert.
Foto: Unsere Biogasanlage ALMA BHU GMR zur Vergärung von Abwasser aus milchverarbeitenden Betrieben
Wasserrecycling mittels Biofiltration
Biofiltration als Nachbehandlung:
Nach der biologischen Vorbehandlung können die verbleibenden Reststoffe und Nährstoffe in einer Biofiltrationsanlage entfernt werden. Diese Methode ist besonders effektiv für Brüdenkondensate oder vorbehandelte Molkeabwässer.
Prozessschritte:
Einleitung des Abwassers:
Das vorbehandelte Abwasser (z. B. aus einer Flotations- oder anaeroben Anlage) wird durch ein Filterbett aus aufbereiteten Tonmaterialien geleitet.Biofilmaktivität:
- Die Mikroorganismen auf dem Filtermaterial zersetzen organische Substanzen und Nährstoffe.
- Neben der Reduktion des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) und des biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) werden auch störende Verbindungen wie Fette, Öle und Kohlenhydrate abgebaut.
- Auch mit Nitrifikation und Denitrifikation möglich.
Partikelfiltration:
Neben der biologischen Aktivität dient die Biofiltration auch als physikalisches Filtersystem, das suspendierte Feststoffe aus dem Abwasser entfernt.Wasserqualität am Ausgang:
Das Filtrat weist deutlich geringere CSB- und BSB-Werte sowie reduzierte Konzentrationen an Phosphor und Stickstoff auf.
Integration der Biofiltration in den Wasserrecyclingprozess
Die Biofiltration ist häufig ein Zwischenschritt in einer mehrstufigen Wasseraufbereitungsanlage. Sie bereitet das Abwasser für weitergehende Verfahren wie die Umkehrosmose (RO) vor, die eine weitergehende Reinigung und Entsalzung ermöglicht.
1. Vorbehandlung vor der Biofiltration
Das Abwasser muss vor der Biofiltration vorbehandelt werden, um die Filteranlage nicht zu überlasten. Typische Verfahren sind:
- Flotation: Entfernung von Fetten und Feststoffen.
- Anaerobe Behandlung: Reduktion von organischen Belastungen und Biogasgewinnung.
- Aerobe Behandlung: Reduktion der organischen Belastung.
2. Nachbehandlung mit Umkehrosmose
Nach der Biofiltration kann das Abwasser durch eine Umkehrosmoseanlage weiter gereinigt werden, um:
- Gelöste Salze und Mineralstoffe zu entfernen.
- Restorganische Stoffe und Mikroverunreinigungen auszufiltern.
- Die Leitfähigkeit des Wassers auf ein Niveau zu senken, das eine Wiederverwendung ermöglicht.
Typische Qualitätsverbesserungen durch die Kombination:
- CSB: < 10 mg/l nach der Umkehrosmose.
- Leitfähigkeit: 10 – 200 µS/cm, je nach Einsatzgebiet.
- Bakterien und Viren: Komplett zurückgehalten durch die Membranen.
Vorteile des Wasserrecyclings mit Biofiltration und Umkehrosmose
1. Nachhaltigkeit:
- Reduktion des Frischwasserverbrauchs und Schonung natürlicher Ressourcen.
- Minimierung der Abwassermengen und der Einleitung in öffentliche Kanäle oder Oberflächengewässer.
2. Verbesserung der Wasserqualität:
- Die Biofiltration entfernt effektiv störende organische Stoffe, wodurch Fouling und Biofouling in der Umkehrosmose minimiert werden.
- Die Umkehrosmose sorgt für eine nahezu vollständige Entfernung von Salzen, Nährstoffen und Mikroverunreinigungen.
3. Wirtschaftlichkeit:
- Reduzierung der Betriebskosten durch Wasserwiederverwendung.
- Verringerung der Kosten für Abwasserentsorgung und Frischwasseraufbereitung.
4. Anpassungsfähigkeit:
- Die Kombination von Biofiltration und Umkehrosmose ist modular aufgebaut und kann an verschiedene Abwasserzusammensetzungen angepasst werden.
Foto: Unsere Biofiltration ALMA BioFil Compact zur Behandlung von Brüdenkondensaten und vorbehandelten Abwässern aus der Lebensmittelindustrie
Vorbehandlung von Süßmolke-Abwasser mittels Flotationsanlagen
Die Flotation ist eine bewährte Technologie zur Vorbehandlung von stark belasteten Abwässern, wie sie in der Milchverarbeitung und der Behandlung von Süßmolke-Abwasser auftreten. Durch die gezielte Dosierung von Fällungsmitteln und Flockungshilfsmitteln werden gelöste und kolloidale organische Stoffe, Fette sowie Feststoffe aus dem Abwasser entfernt. Diese Vorbehandlung reduziert die organische und anorganische Belastung erheblich und bereitet das Abwasser optimal für nachgeschaltete biologische oder physikalisch-chemische Verfahren wie die Biofiltration vor.
Funktionsweise der Flotation
Die Flotation basiert auf dem Prinzip, dass Partikel durch die Anlagerung von Gasblasen (in der Regel Luft) an die Wasseroberfläche getragen werden. Die Partikel bilden einen Schaum, der von der Oberfläche des Reaktors abgeschöpft wird. Für die effiziente Abtrennung von Stoffen ist die chemische Vorbehandlung mit Fällungs- und Flockungshilfsmitteln entscheidend.
Prozessschritte in der Flotationsbehandlung
1. Chemische Vorbehandlung
Die Vorbehandlung erfolgt durch die Zugabe von Fällungsmitteln und Flockungshilfsmitteln, die spezifisch auf die Zusammensetzung des Sauermolke-Abwasser abgestimmt sind.
Fällungsmittel:
- Ziel: Umwandlung von gelösten Stoffen in schwerlösliche Verbindungen, die sich leichter abscheiden lassen.
- Typische Fällungsmittel: Aluminiumsulfat, Eisenchlorid oder Polyaluminiumchlorid.
- Reaktion: Fällungsmittel reagieren mit gelösten organischen und anorganischen Stoffen, z. B. Phosphaten, und bilden Flocken.
Flockungshilfsmittel:
- Ziel: Vergrößerung und Stabilisierung der entstehenden Flocken.
- Typische Flockungshilfsmittel: Hochmolekulare Polymere (anionisch, kationisch oder nichtionisch).
- Wirkung: Die Polymerketten vernetzen kleinere Partikel und Flocken, sodass größere, sedimentierbare oder flotierbare Flocken entstehen.
2. Kontaktzone und Gasinjektion
In der Kontaktzone der Flotationsanlage wird das chemisch vorbehandelte Abwasser mit feinsten Luftblasen vermischt. Dies geschieht typischerweise durch:
Druckentspannungsflotation:
Wasser wird unter Druck mit Luft gesättigt. Beim Druckabfall bilden sich feinste Luftblasen (Mikroblasen), die sich an die Flocken anlagern.Luftinjektoren oder Diffusoren:
Direkte Einbringung von Luft oder anderen Gasen in die Flotationszone.
Die entstehenden Flocken mit Luftblasen besitzen eine geringere Dichte als Wasser und steigen an die Oberfläche.
3. Abschöpfung der Schlammschicht
Die an der Oberfläche angesammelten Stoffe bilden eine Schlammschicht, die kontinuierlich oder diskontinuierlich abgeschöpft wird. Der abgeschöpfte Schlamm ist hochkonzentriert und kann weiter entwässert oder in einer anaeroben Faulung behandelt werden.
4. Klarwasserauslass
Das verbleibende Klarwasser wird aus der unteren Zone der Flotationsanlage abgeführt und kann direkt biologisch weiterbehandelt oder, je nach Qualität, für den internen Wasserrecyclingprozess genutzt werden.
Vorteile der Flotationsvorbehandlung
Die Flotation mit chemischer Vorbehandlung bietet mehrere Vorteile:
Effiziente Entfernung von Fetten, Ölen und Feststoffen:
Besonders bei Molkeabwasser, das hohe Gehalte an Fett- und Eiweißstoffen aufweist, sorgt die Flotation für eine signifikante Reduktion der CSB- und BSB-Werte.Reduktion der organischen Belastung:
Durch die Fällung von Laktose und Proteinen wird der nachgeschaltete biologische Abbau entlastet.Flexibilität:
Die Dosierung von Fällungs- und Flockungshilfsmitteln kann an unterschiedliche Belastungen und Abwässer angepasst werden.Kompakte Bauweise:
Flotationsanlagen erfordern wenig Platz und können in bestehende Prozesse integriert werden.
Foto: Unsere Flotationsanlage ALMA NeoDAF mit belastungsproportionaler Dosierung von Fäll- und Flockungshilfsmitteln, sowie patentiertem Luftsättigungssystem
Herausforderungen und Lösungen
1. Hoher CSB- und BSB-Wert:
Sauermolke-Abwasser erfordert aufgrund seines hohen organischen Gehalts leistungsstarke biologische Verfahren.
- Lösung: Kombination aus anaerober Vorbehandlung und aerober Nachbehandlung zur vollständigen Mineralisierung.
2. Schwankende Abwasserbelastung:
Die Zusammensetzung von Sauermolke-Abwasser variiert je nach Produktion und Reinigungsprozessen.
- Lösung: Einsatz flexibler Technologien wie SBR oder Flotationsanlagen, die auf Lastschwankungen reagieren können.
3. Energiebedarf:
Aerobe Verfahren haben einen hohen Energieverbrauch.
- Lösung: Integration anaerober Systeme zur Energiegewinnung durch Biogas.
4. Wasserrecycling:
Die Wiederverwendung von gereinigtem Wasser erfordert eine hohe Qualität.
- Lösung: Einsatz von Biofiltration und Membranverfahren wie Umkehrosmose.
Fazit
Die Behandlung und Verwertung von Süßmolke-Abwasser ist eine komplexe, aber lösbare Herausforderung in der industriellen Wasseraufbereitung. Durch die Kombination chemischer, biologischer und physikalischer Verfahren können nicht nur gesetzliche Anforderungen erfüllt, sondern auch wertvolle Ressourcen wie Wasser, Energie und Nährstoffe zurückgewonnen werden. Moderne Technologien wie die Biofiltration und Flotationsanlagen ermöglichen es, Abwässer effizient zu behandeln und in teilweise in Kreisläufen wiederzuverwenden, was sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile bietet. Süßmolke-Abwasser kann somit von einer Belastung zu einer Ressource transformiert werden, die einen Beitrag zur nachhaltigen Wasserwirtschaft leistet.
Für weiter Informationen zu unseren Produkten können Sie uns gerne jederzeit kontaktieren!
