Was sind die verschiedenen Verbindungen des Abwassers?
Phosphor kommt von Natur aus nur in sehr geringen Mengen im Boden und im Wasser vor. Eine hohe Konzentration an Phosphaten kann zur Vermehrung von Algen führen, die ein Nährstoff für Pflanzen sind. Algen sind jedoch für die Eutrophierung von stehendem Wasser verantwortlich. Dieses Phänomen der Eutrophierung ist dann je nach Phosphatgehalt im Abwasser mehr oder weniger wichtig. Phosphor ist jedoch der limitierende Faktor, der effektiv genutzt werden kann, um die Eutrophierung zu reduzieren.
Laut einer Studie kann 1 g Phosphat-Phosphor (PO4-P) einAlgenwachstum von 100 g verursachen. Wenn diese Algen absterben, benötigen sie etwa 150 g Sauerstoff, um sich zu zersetzen. Dieser Vorgang beginnt schon bei sehr niedrigen P-PO4-Konzentrationen:
- 0,1-0,2 mg/l in fließendem Wasser
- 0,005-0,01 mg/l in stehendem Wasser.
Die chemischen Formen von Phosphor im Abwasser sind sehr vielfältig. Sie können löslich oder partikulär, mineralisch und organisch sein.
Gesamtphosphor = partikulärer Phosphor + gelöster Phosphor = mineralischer Phosphor + organischer Phosphor
Um die empfohlenen Grenzwerte einzuhalten, ist dann ein gezielter Prozess zur Entfernung von Phosphor in den Kläranlagen erforderlich. Dabei wird ein Verfahren eingesetzt , das chemisch oder biologisch sein kann, und sehr oft beide Fälle.
Orthophosphate und Phosphor insgesamt
Orthophosphate (PO4-Ionen) sind die einfachste und häufigste Form von Phosphaten im Wasser. Phosphate (Orthophosphate genannt) sind eine oxidierte mineralische Form von Phosphor. Phosphate gibt es in gelöster, kolloidaler oder fester Form.
Diese verschiedenen Formen von Phosphaten, die aus dem Orthophosphorsäuresalz (H3 PO4) gewonnen werden, sind im Wasser vorhanden, da sie ionisieren:
- zu H2 PO4-,
- HPO4- -,
- PO4- – –
Die Menge an Phosphaten im Wasser wird in mg/l P-PO4 gemessen. Aber der Gesamtphosphor ist der am weitesten verbreitete Parameter: Er vereint alle organischen und mineralischen P. Er wird in mg/l Pt ausgedrückt.
Die Differenz zwischen Gesamtphosphor und Orthophosphaten wird verwendet, um den organischen Anteil von Phosphor im Wasser zu messen.
Im Klärprozess müssen Phosphorverbindungen entfernt werden , bis sie am Ausgang der Kläranlage die gesetzlich zulässigen Grenzwerte erreichen. Hierfür gibt es zwei Methoden:
- biologische Beseitigung
- Chemische Fällung von Phosphaten oder chemische Beseitigung
Biologische Eliminierung von Phosphorverbindungen
Das Prinzip der biologischen Phosphatentfernung besteht aus einer Überakkumulation von Phosphor in einer Biomasse. Wenn man Phosphorgehalte von 2 bis 3 % im im Schlamm unter normalen Abbaubedingungen eines organischen Substrats, erfordert der Mechanismus der Überakkumulation, dass die Biomasse gestresst wird , abwechselnd in der anaeroben (sauerstofffreien) und aeroben Phase. Achtung jedoch: Die Denitrifikationszone, die durch das Vorhandensein vonSauerstoff über Nitrate gekennzeichnet ist, wird daher mit einer aeroben Zone gleichgesetzt, und ermöglicht keine biologische Dephosphatierung.
Unter Stressbedingungen (abwechselnde Phasen) akkumulieren die Mikroorganismen Phosphor, Bis zu 10 % ihres Trockengewichts in Form von Polyphosphatgranulat.
Die Reaktionen, die in jedem Bereich auftreten, können wie folgt zusammengefasst werden:
- anaerobe Zone: Die Mikroorganismen nutzen ihre Reserven und setzen intrazellulären Phosphor frei;
- aerobe Zone: Überakkumulation von Phosphor in Form von Polyphosphatgranulat.
Diese Phänomene, die für den Prozess der biologischen Phosphatentfernung unerlässlich sind , werden die Gestaltung der Behandlungswege bestimmen. Das Grundschema muss mindestens Folgendes enthalten
- eine anaerobe Zone , in der die Freisetzung von Phosphor stattfinden wird
- eine belüftete Zone , in der Überassimilationsreaktionen stattfinden werden.
Um eine gute biologische Phosphatentfernung zu erreichen, ist das Vorhandensein einer ausreichenden Menge an leicht assimilierbarer organischer Substanz im zu behandelnden Wasser unerlässlich. Aus konventionellem kommunalem Abwasser ergibt sich ein durchschnittlicher Anteil von 3,5 % des entfernten Phosphors pro verbrauchtem BSB5. Das bedeutet, dass nur zwischen 50 und 65 % des Phosphors biologisch eliminiert werden. Diese Leistung reicht oft nicht aus, um die Einleitungsnormen zu erfüllen. Es wird daher notwendig sein, eine chemische Fällungsstufe hinzuzufügen, in der der verbleibende Teil des Phosphors durch Zugabe von Reagenz ausgefällt wird.
Die biologische Eliminierung ist nur dann wirksam, wenn leicht biologisch abbaubare organische Elemente (BSB5) in ausreichender Menge vorhanden sind.
Chemische Fällung von Phosphaten
Dieses Verfahren berücksichtigt die Assimilation der Ausfällung von löslichen Phosphors mit einer Metallsalzverbindung. Dabei kann es sich um Eisen- oder Aluminiumsalz handeln. Eisen- oder Aluminiumsalze sind auch in der Lage, sich mit Eisen- oder Aluminiumsalzen zu verbinden. Phosphationen verbinden , um einen Niederschlag aus Eisen- oder Aluminiumphosphat (Fe PO4 oder AIPO4) zu bilden. Man spricht von Koagulation.
Aufgrund der Konkurrenzfähigkeit der Reaktionen zur Bildung von Hydroxid- oder Phosphatausfällungen, liegt das zu verwendende Molverhältnis zwischen Fe/P oder Al/P zwischen 1 und 3.
Die chemische Fällung wird in der Regel in Absetzbecken durchgeführt.
Niederschläge von Metallphosphaten sinken und werden in den Klärschlamm extrahiert.
Die Zugabe der Koagulantien kann während der primären Klärung erfolgen, oder einmal im biologischen Becken, oder in eine zusätzliche Behandlungsanlage nach dem biologischen Becken.
Auf der anderen Seite sollte nicht vergessen werden, dass der Gehalt des Schlamms durch die Ausfällung von Phosphatsalzen erheblich ansteigt. Um die Kosten für die Schlammbehandlung und die Gerinnungsmittelbehandlung zu begrenzen, kombinieren die meisten Kläranlagen die biologischen und chemischen Prozesse der Phosphorentfernung.
CSB/Pt-Verhältnis: Vorhersage der Ausbeute bei der Phosphorentfernung
Beim Abwasser sind die Schwankungen in der Effizienz der Phosphorentfernung allein durch Assimilation hauptsächlich korreliert:
- CSB/P-Verhältnis (oder BSB5/P)
- im Zeitalter des Schlamms
Die Abscheideleistung steigt quasi-linear mit zunehmendem CSB/P: Da die Schlammproduktion proportional zur aufgebrachten CSB-Belastung ist, führt eine Erhöhung des CSB-Flusses bei konstantem P-Fluss zu einer Erhöhung des assimilierten P-Flusses und damit zu einer besseren Gesamtabscheidung.
Darüber hinaus verbessert ein niedriges Schlammalter die Phosphorausbeute, während sehr lange Schlammalter die Phosphorausbeute reduziert.
Bei einem mittleren CSB/P-Verhältnis von 70 g CSB/g W kann die Entfernungsausbeute wie folgt betragen:
- 38 % mit einem Schlammalter von 20 d
- 65% bei einem Schlammalter von 2 Tagen
Die Konzentration der Schwebstoffe hat nur einen geringen Einfluss auf die Abscheideleistung von Phosphor. Je niedriger die Konzentration, desto besser die Ausbeute.
Im Abwasser liegt das normale CSB/Pt-Verhältnis zwischen 25 und 100.
FAQ
Was ist der Unterschied zwischen Orthophosphaten, Polyphosphaten und organischen Phosphaten?
Orthophosphate sind anorganische Formen von Phosphor, die sofort von Mikroorganismen und Pflanzen aufgenommen werden. Polyphosphate, die in industriellen Wasch- und Additiven verwendet werden, zerfallen langsam in Orthophosphate. Organische Phosphate sind an organische Stoffe (Fäkalien, Speisereste) gebunden und müssen biologisch abgebaut werden, um umgewandelt zu werden. Zusammen bilden sie den Gesamtphosphor (TP), der im Abwasser gemessen wird.
Wie misst man effektiv Phosphor in einer Kläranlage?
Die Phosphormessung kann kontinuierlich mit Online-Analysatoren oder gelegentlich mit tragbaren Photometern und Tanktests durchgeführt werden. Analysatoren bieten eine Echtzeitüberwachung, die für die Verarbeitung von Anpassungen nützlich ist, während Spot-Methoden für periodische Kontrollen kostengünstig sind. Die Wahl hängt von der Größe der Einrichtung, dem Budget und den gesetzlichen Anforderungen ab.
Was sind die typischen Ausbeuten bei der Phosphorentfernung in Abhängigkeit von den verwendeten Methoden?
Biologische Methoden ermöglichen eine Reduktion von 20 bis 30 % des Phosphors, während physikalisch-chemische Behandlungen in der Regel eine Entfernung von 80 bis 90 % erreichen. Eine Kombination aus beidem kann die Effizienz weiter verbessern, insbesondere in mittleren bis großen Bahnhöfen. Die Ausbeute hängt auch von der Art des Abwassers, der Ausrüstung und der Wartung der Anlage ab.
Gibt es ökologische Lösungen für die Phosphatentfernung von Abwässern?
Ja, einige Studien haben die Wirksamkeit natürlicher Materialien wie Laterit, Sandstein oder Schieferschiefer beim Einfangen von Phosphaten in passiven Systemen (z. B. künstlichen Feuchtgebieten) gezeigt. Diese kostengünstigen Lösungen sind vielversprechend für ländliche Gebiete oder Entwicklungsländer, obwohl ihre Leistung je nach hydrodynamischen Bedingungen und Wasserzusammensetzung variiert.
Warum ist die Phosphorkontrolle in sensiblen Gebieten wie Seen und Flussmündungen so wichtig?
In empfindlichen Gebieten können bereits geringe Konzentrationen von Phosphor Eutrophierungsepisoden auslösen, die die Vermehrung giftiger Algen (Cyanobakterien) begünstigen. Dies stört die Ökosysteme, beeinträchtigt die Freizeitwassernutzung und erhöht die Kosten für die nachgelagerte Aufbereitung. Aus diesem Grund legen einige Vorschriften, wie z. B. in Quebec, Grenzwerte von bis zu 0,1 mg P/L fest.
