Phosphatelimination

(phosphate elimination) Die Entfernung von Phosphate aus dem Abwasser. Im wesentlichen basiert die Phosphatelimination auf Fällungsverfahren oder der biologischen Phosphatentfernung. Die Phosphate werden z. B. mit Aluminiumsulfat, Eisen(III)Chlorid oder Kalk gefällt. Die Phosphatelimination kann gleichzeitig mit der biologischen Abwasserreinigung in Belebungsanlagen (sog. Simultanfällung), als Vorfällung in der Vorklärung oder in besonderen Fällungs- und Nachklärbecken (dritte Reinigungsstufen) durchgeführt werden. Grundsätzlich wird zwischen der biochemischen und chemischen Phosphatelimination unterschieden, wobei diese oft kombiniert werden.

Biochemische Phosphor-Elimination 

Grundlage der biologischen Phosphatelimination ist die Fähigkeit bestimmter Bakterienstämme, über das Zellwachstum notwendige Maß hinaus Phosphor aufzunehmen und in Form von Polyphosphaten zu speichern. Die Bakterien nehmen dann vermehrt Phosphor auf, wenn sie einem schnellen Wechsel von anaeroben und aeroben Zuständen ausgesetzt werden.

Chemische Phosphor-Elimination

Phosphor ist ebenso wie Stickstoff ein Pflanzennährstoff, der im Überschuss zur Eutrophierung von Gewässern führen kann. 

Die Verfahren zur chemisch-physikalischen Phosphorentfernung können u.A. mit folgenden fünf Verfahrensschritten charakterisiert werden:

  • Dosierung und vollständiges Einmischen eines Fällungsmittels in den Abwasserstrom,
  • Bildung unlöslicher Verbindungen von Fällmittel-Kation und Phosphat-Anion sowie anderen Anionen (Fällungsreaktion),
  • Destabilisierung der im Abwasser enthaltenen Kolloide und Zusammenlagerung zu Mikroflocken (Koagulation),
  • Flockenbildung, d. h. Bildung von gut abtrennbaren Makroflocken aus Mikroflocken. Dabei können Schwebstoffe und Kolloide in die Flocken mit eingeschlossen werden (Mitfällung und -flockung),
  • Abscheiden der Makroflocken aus dem Abwasser. Die Abtrennung kann durch Sedimentation, Flotation, Filtration oder Kombinationen dieser Verfahren bewirkt werden.

Zahlreiche mehrwertige Metallionen bilden mit den im Abwasser gelösten Phosphationen unlösliche Verbindungen. Zur Phosphatfällung werden aus wirtschaftlichen Gründen vor allem die Metalle Fe3+, Al3+, Fe2+ und Ca2+ eingesetzt. 

Durch die Dosierung von Metallsalzen erfolgt ein Anionenaustausch. PO43+ wird entfernt und Cl- oder SO4- gelangt ins Wasser. Zweiwertiges Eisen kann nur dann mit Erfolg angewendet werden, wenn es in sauerstoffhaltigem Wasser zu dreiwertigem Eisen oxidiert wird. Fe2+ wird in der Praxis zur Oxidation in den belüfteten Sandfang oder in das Belebungsbecken dosiert. 

Die Fällmittel sind vielfach Neben- oder Abfallprodukte großtechnischer Prozesse. Daher können Verunreinigungen auftreten wie Schwermetalle und organische Halogenverbindungen (AOX). Es ist davon auszugehen, dass die Verunreinigungen in den Fällungsschlamm aufgenommen werden und sich dadurch die Frachten im anfallenden Klärschlamm erhöhen, was in hohem Maße unerwünscht ist. Damit die Höchstwerte der Klärschlammvererdung nicht überschritten werden, dürfen in den Fällungschemikalien bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden. 

Je nach Einsatzpunkt des Fällmittels wird unterschieden zwischen:

  • Vorfällung: Die Fällmittel werden vor oder im Vorklärbecken zugegeben. Die Dosierstelle wird so ausgewählt, dass gebildete Flocken nicht zerstört werden. Die Fällungsprodukte werden im Vorklärbecken abgeschieden. Ein Restphosphorgehalt von 1-2 mg/l genügt zur Versorgung der Bakterien in der nachfolgenden biologischen Stufe. Zusätzlich werden organische Stoffe ausgeschieden und Frachtschwankungen gedämpft. Kalk wird etwa bei pH-Werten von 9,5 eingesetzt, Eisen(ll)-Salze nur in Verbindung mit einem belüfteten Sandfang.
  • Simultanfällung: Es wird insbesondere beim Belebungsverfahren und in Tauchkörperanlagen eingesetzt. Die Fällmittel werden in den biologischen Reaktor, vor dem Nachklärbecken oder in die Leitung des Rücklaufschlamms dosiert. Bei konventionellen Tropfkörperanlagen kann die Zugabe in den Nachklärbeckenzulauf erfolgen. Durch die Rückführung des Rücklaufschlammes erfolgt beim Belebungsverfahren eine weitgehende Ausnutzung des Fällmittels. Auch hier spielt der Erhalt der Flockenstruktur eine bedeutende Rolle. Durch die Fällmittelzugabe wird der anorganische Anteil des Feststoffgehaltes im Belebungsbecken erhöht. Dies ist idealerweise bereits bei der Auslegung der biologischen Stufe hinsichtlich Wirkungsgrad, Schlammbelastung und Schlammalter zu berücksichtigen. Bei der Auswahl der Fällmittel ist zu berücksichtigen, dass keine den biologischen Prozess störenden Nebenwirkungen, wie z. B. starke pH-Wert Verschiebungen, auftreten. Die Simultanfällung kann auch bei belüfteten und unbelüfteten Teichen eingesetzt werden. Bei unbelüfteten Teichen wird i.d.R. die Anwendung von Kalk aufgrund der Vermeidung von Eisensulfidbildung empfohlen.
  • Nachfällung: Die Fällmittel werden erst hinter der Nachklärung in ein Mischungsstrecke dosiert, dem ein Flockungsbecken nachgeschaltet ist. Die Flocken werden durch Sedimentation in einem Absetzbecken, Lamellenabscheider oder bei leichteren Flocken durch Flotation abgeschieden. Zur Einhaltung niedriger Überwachungswerte kann zusätzlich das Verfahren der Filtration eingesetzt werden. Dann empfiehlt sich in aller Regel die Anwendung der Flockungsfiltration. Die Nachfällungsstufe bildet eine eigene Prozesseinheit und beeinflusst die vorgeschalteten Prozesse kaum. Darüber hinaus sind die Schwankungen in der Zulaufkonzentration relativ gering. Damit ist eine bessere Anpassung der Fällmitteldosierung möglich. Der in der Nachfällung anfallende Schlamm kann sowohl getrennt als auch gemeinsam mit dem Schlamm aus der mechanisch-biologischen Stufe behandelt werden. Der Nachfällschlamm kann unter Umständen zur Konditionierung der anderen Schlämme verwendet werden.

Grundsätzlich können diese Verfahren auch kombiniert werden, z. B. Vorfällung mit Kalk und Simultanfällung mit Eisen oder Simultanfällung und Nachfällung (Zweipunktfällung). In jedem Fall ist eine möglichst homogene Durchmischung prozessfördernd. 

  • Flockungsfiltration Die Flockungsfiltration kann nur als zweite Stufe, z.B. nach Vor- oder Simultanfällung oder biologischer Phosphat-Elimination, eingesetzt werden. Nach vorliegenden Erfahrungen können Überwachungswerte von 0,5 mg/l P eingehalten werden. Bei der Flockungsfiltration findet die Flockung in einem Sandfilter statt. Die bei der Durchströmung des Filterbettes auftretenden Mischvorgänge fördern die Flockenbildung. 
  • Zweipunktfällung: Bei der Zweipunktfällung werden zwei der in den vorangehenden Abschnitten beschriebenen Verfahren kombiniert, z.B. als Vor- und Simultanfällung, als Vor- und Nachfällung oder als Simultan- und Nachfällung. Dies geschieht aus folgenden Gründen: frühzeitige Entlastung nachfolgender Verfahrensstufen, wirtschaftlicher Einsatz der Chemikalien durch höheren Gesamtwirkungsgrad, zum Schutz des Filters bei der Flockungsfiltration. 

Durch die Überführung gelöster und suspendierter Stoffe in absetzbare Flocken wird der Feststoffanfall im zu transportierenden Fluid erhöht, was bei der Auslegung der Apparate zu berücksichtigen ist. Die zusätzliche Feststofffracht folgt aus der Menge der zugegebenen Chemikalien, aus den gebildeten Verbindungen sowie aus der Menge der entfernten ungelösten Feststoffe. Bei der Zugabe von gelöschtem Kalk als Fällmittel ist mit einer Feststoffzunahme von etwa dem 1,35-fachen des dosierten Kalks zu rechnen. 

Das bei der Phosphorelimination zusätzlich anfallende Schlammvolumen ergibt sich aus der Feststofffracht und dem Wassergehalt bzw. Feststoffgehalt. Wird ein hoher Feststoffgehalt erreicht, sind trotz vermehrten Feststoffanfalls aus der Fällungs-/Flockungsreaktion geringere Schlammvolumina möglich.

Die gewählte Betriebsweise sowie Art und Menge der eingesetzten Fällmittel haben auf den Feststoffgehalt der gebildeten Flocken einen nachhaltigen Einfluss.

Bei der Vorfällung nimmt der Feststoffgehalt des Primärschlammes mit zunehmender Chemikaliendosis ab. Bei der Simultanfällung wird im Fall eines ursprünglich niedrigeren Feststoffgehaltes des Sekundärschlammes mit zunehmender Dosierung ein leichter Anstieg eintreten. Bei der Nachfällung nimmt mit steigender Dosierung der Anteil der wasserreichen Hydroxidflocken zu. Dadurch erniedrigt sich der Feststoffgehalt im Tertiärschlamm.

Das verhalten bei der Eindickung verändert sich durch den Anteil an Fällungsprodukten. Generell führt eine Zunahme der Chemikaliendosis im Anfang zu einer höheren Eindickgeschwindigkeit. Bei längerer Eindickzeit wird kein höherer Endfeststoffgehalt festgestellt.

Gleichzeitig mit der Phosphatfällungsreaktion treten mehrere konkurrierende Reaktionen auf, die technisch gesehen zu einem Mehrverbrauch des Fällungs- und Flockungsmittels führen und damit zu einem Mehranfall an Schlamm. Im wesentlichen werden unterschieden:

Die zur Einhaltung des Ablaufwertes erforderliche Dosis des Fällmittels wird bei eisen- und aluminiumhaltigen Fällmitteln u.a. beeinflusst durch:

  • die Phosphatfracht des Abwassers
  • den pH-Wert des Rohabwassers
  • den Gehalt des Abwassers an Substanzen, die mit den verwendeten Fällmitteln Komplexe bilden (Komplexbildner)
  • den Gehalt an Verbindungen, die sich als schutzschichtartige Umhüllung an Feststoffe anlagern und damit die Wirkung von flockungsfördernden Chemikalien erschweren

Bei der Phosphatelimination ist zu berücksichtigen, dass durch die Fällmitteldosierung andere Reinigungsziele, insbesondere die Nitrifikation, nicht nachteilig beeinflusst werden wobei folgende Aspekte eine Rolle spielen können:

  • Die Änderung des N/BSB5-Verhältnisses und der Säurekapazität des Abwassers bei der Vorfällung sowie eine Erhöhung des Schlammalters.
  • Die Änderungen der Absetz- und Eindickeigenschaften sowie des organischen Anteils des belebten Schlammes, durch erhöhten Überschussschlammanteil und eine Senkung des Schlammalters, Erniedrigung der Säurekapazität und je nach Fällmittelart durch stimulierende oder hemmende Wirkung auf die Nitrifikation bei der Simultanfällung.
  • Die Rückführung von Schlammwasser aus der Schlammbehandlung der Nachfällungsstufe in den Anlagenzulauf bei der Nachfällung.

Die Änderung des N/BSB5-Verhältnisses in der Vorfällung hat positive Folgen für die Nitrifikation (Erniedrigung der BSB5-Belastung der biologischen Stufe), jedoch in der Regel negative Folgen für die Denitrifikation.

Zu negativen Auswirkungen kann es kommen, wenn infolge einer Verminderung der Säurekapazität der pH-Wert absinkt. Besonders gefährdet ist dabei der Prozess der Nitrifikation. Um eine Hemmung der Nitrifikation zu vermeiden, wird i.d.R. aus Sicherheitsgründen eine Restsäurekapazität von 1,5 mmol/l eingehalten. 

Die spezifische Zunahme des Überschussschlammanfalls beträgt bei der Simultanfällung im Mittel etwa 2,5 g Feststoffe je zugegebenem Gramm Eisen bzw. 4,0 g Feststoffe je zugegebenem Gramm Aluminium im Fall von kommunalem Abwasser. Es handelt sich dabei sowohl um anorganische Feststoffe (Fällungsprodukte) als auch um organische Feststoffe aus der unspezifischen Mitfällung von Abwasserinhaltsstoffen. Der organische Anteil des Belebtschlamms nimmt infolge Simultanfällung ab. Zusätzlicher Überschussschlammanfall und verminderter organischer Anteil müssen bei der Bemessung von Belebungsanlagen sowie bei der Faulraumbemessung berücksichtigt werden.

Der Schlammindex nimmt bei Simultanfällung häufig ab, so dass Belebungsanlagen mit Simultanfällung meist mit höherer Feststoffkonzentration betrieben werden können als Anlagen ohne Simultanfällung.

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