Abwasseraufbereitung Phosphatfällung in Kläranlagen – Wie Sie die richtige Chemikaliendosis finden

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Die Phosphatfällung gehört zu den Kernprozessen kommunaler Kläranlagen. Wie gut und effizient das gelingt, hängt stark von der Dosierung der Fällungschemikalien ab. Dabei sind anlagen- und prozessspezifische Merkmale wichtig. Worauf es bei der individuellen Konzeption von Dosierstationen ankommt.

Der Phosphatgehalt ist eine der wichtigsten Kenngrößen zur Beurteilung der Wasserqualität. Als wichtiger Nährstoff bestimmt Phosphor maßgeblich das Wachstum von Algen und trägt damit zur Eutrophierung von Gewässern bei. Noch vor rund 30 Jahren waren Wasch- und Reinigungsmittel die Haupt-Belastungsquellen. Zahlreiche Auflagen und Verbote sowie das veränderte Konsumentenverhalten haben diese Quelle jedoch weitgehend zum Versiegen gebracht. Heute sind es Fäkalien und Haushaltsabfälle, auf die der Löwenanteil entfällt.

Im Abwasser liegt Phosphor überwiegend in folgenden Formen vor:

• Organisch gebundener & partikulärer Phosphor. Ungelöste Phosphate und organisch gebundener Phosphor in Kohlenhydratphosphaten, Nukleinsäuren und Phosphorlipiden.

• Polyphosphat mit ca. 2-7 P-Atomen. Polyphosphate sind Bestandteil von Wasch- und Reinigungsmitteln (heute fast ausschließlich in Geschirrspülmitteln vorhanden).

• Orthophosphat. Je nach pH-Wert des Abwassers handelt es sich dabei um die Phosphorsäure und ihre gelösten Salze (H₃PO₄, H₂PO^4-, HPO₄^2- und PO₄^3-). Sie werden größtenteils über den Urin eingetragen.

• Phosphonate. Ersatzstoff für Polyphosphat in Waschmitteln. Phosphonate sind industriellen Ursprungs und schlecht abbaubar.

Beseitigung durch Zugabe geeigneter Fällmittel

Sowohl der organisch gebundene Phosphor wie auch die Polyphosphate werden im Klärprozess durch Mikroorganismen zu Orthophosphaten hydrolysiert. Deren Beseitigung erfolgt schließlich durch die Zugabe geeigneter Fällmittel. Das sind in erster Linie Eisen- (Fe-) und Aluminium- (Al-) und in seltenen Fällen Calzium- (Ca-)Salze. Chemisch gesehen beruht die Fällungsreaktion auf der Bildung schwer wasserlöslicher Metall-Hydroxo-Komplexe in Gegenwart von Orthophosphat (PO₄^3-). Deren Löslichkeit ist stark vom pH-Wert abhängig. Optimale Ergebnisse werden im pH-Wertbereich zwischen 6,6 und 8,5 erzielt. Die meisten kommunalen Abwässer bewegen sich in diesem Fenster (7 - 7,5), sodass oft auf eine pH-Wertanpassung verzichtet wird. Die Feststoffabtrennung erfolgt anschließend über eines der klassischen mechanischen Verfahren wie Sedimentation oder Filtration. Je nach angeschlossenem Abtrennverfahren werden dabei große, möglichst dichte Flocken (Sedimentation), oder kompakte, relativ kleine Partikel (>5 μm) benötigt (Filtration).

Die Mischbedingungen entscheiden

Schaut man auf die mikroskopische Ebene, dann sind die Bildung der Metall-Hydroxo-Komplexe und das beginnende Wachstum der Mikroflocken sehr schnelle Vorgänge. Sie benötigen nur Bruchteile von Sekunden.

Die Chemikalieneinmischung nimmt dagegen weit mehr Zeit in Anspruch. Verschiedene Studien zeigen, dass die Bildung kolloidaler Mikroflocken und deren Wachstum zu Makroflocken stark von den anfänglichen Mischbedingungen und der chemischen Umgebung (pH-Wert, Metallkonzentrationen, etc.) abhängig ist. Inhomogene Einmischungen der Fällungschemikalien können zu schlechten Eliminationsleistungen führen. Das in manchen Kläranlagen praktizierte Eintropfen oder schubweise Dosieren an einer Stelle mit wenig Turbulenz zieht ebenfalls meist unbefriedigende Ergebnisse nach sich. Als Grundsatz beim Dosieren gilt daher: Möglichst rasch und homogen mit ausreichender Turbulenz an der Zugabestelle.

Schlauch- oder Membranpumpen zur Dosierung

Diese Aufgabe übernehmen Schlauch- oder Membrandosierpumpen. Sie sollten sich durch einen hohen Regelbereich, eine stabile Förderleistung – auch bei Druckschwankungen im System – und einen sicheren, verschleißfreien Betrieb auszeichnen. Ob Schlauch- oder Membranpumpe zum Einsatz kommen, ist reine Geschmackssache. Während manche Anlagenbetreiber eine manuelle Pumpensteuerung bevorzugen, setzen andere wiederum auf modernste Technik und Konnektivität. Das haben Pumpenhersteller wie Prominent bereits in ihren Produkten umgesetzt. Die magnetgetriebenen Membranpumpen Gamma/ X und Gamma/ XL haben seit vielen Jahren ProfiBus und ProfiNet an Bord. Die Geräte der aktuellen Generation stellen mit Dulconnex sogar eine cloudbasierte IIoT-Lösung für digitales Fluidmanagement zur Verfügung. Wer außerdem eine effiziente und sichere Bedienung seiner Pumpen per Smartphone wünscht, dem steht die Dulconnex Blue App des Herstellers zur Verfügung.

Individuell konzipierte Dosierstationen

Zum Thema „Fällmitteldosierung“ gehört jedoch mehr, als die Wahl geeigneter Pumpen. Wer Fällmittel sicher, ökologisch und wirtschaftlich dosieren will, benötigt komplette Anlagen, die das Lagern und Dosieren in einem System vereinen.

Solche Dosierstationen stehen zwar als Standardprodukte zur Verfügung, doch in den meisten Fällen ist die individuelle Auslegung mit erheblichen Vorteilen verbunden. Die Pluspunkte reichen von weichen Faktoren wie dem Handling und dem Komfort bis hin zu handfesten Größen wie der Eliminationsleistung und der Wirtschaftlichkeit. Um davon profitieren zu können, ist eine professionelle Auslegung erforderlich, in die eine ganze Liste individueller Spezifika einfließt:

• Welches Dosiermedium wird verwendet?

• Wo befindet sich der Aufstellort (Örtlichkeiten, Größenverhältnisse, Anlieferung, etc.)?

• Welche Strecken sind zwischen Tank, Pumpe und Dosierstelle zu überwinden?

• Wie viele Dosierstellen werden im Prozess benötigt?

• Wie lassen sich Anlieferung, Befüllung und Lagerung der Dosiermittel optimal lösen?

Beachtung und Einhaltung von Richtlinien

Matthias Klein, Abteilungsleiter modifizierter Standard und Projekte bei der Prominent, weiß aus seiner täglichen Praxis, dass jede Dosierstation andere Herausforderungen stellt. Ein ganz wesentlicher Aspekt dabei ist die Beachtung und Einhaltung von Richtlinien und relevanten Sicherheitsfragen. Unter anderem sind Leckage- und Überfüllsicherungen am Tank einzubinden, es ist für dessen Entlüftung zu sorgen sowie eine permanente Überwachung der Dosierung zu gewährleisten. Auslaufschutz, Alarmhupe und bauaufsichtlich zugelassene Behälter, Podeste und Bühnen sind weitere Merkmale fachgerecht ausgeführter Stationen. Wegen ihres Aufstellortes im Außenbereich, gehören wetterfeste Gehäuse ebenso zum Standard, wie die Auswahl chemikalienbeständiger Materialien für das komplette Tank- und Rohrleitungssystem.

Fazit: Das Dosieren von Fällchemikalien ist ein häufig unterschätztes Thema. Dabei kann ein nachlässiger Umgang damit, sowohl das Personal wie auch die Umwelt gefährden. Mehr noch: Wenn es gelingt, die Fällmittel möglichst homogen und turbulent einzubringen und die Feststoffbildung flockungskinetisch optimal zu führen, lassen sich zum Teil erhebliche Einspareffekte erzielen. Das betrifft das Handling, den Komfort sowie den Fällmittelverbrauch und die Eliminationsleistung. Moderne, smart ausgeführte Dosierstationen erfüllen darüber hinaus alle sicherheitsrelevanten Aspekte.

Standard-Lager- und Dosiersysteme

Aufgrund der komplexen Herausforderungen bei der Auslegung von Dosierstationen bieten Pumpenspezialisten wie Prominent inzwischen den Bau und die Inbetriebnahme kompletter Fällmittelstationen an. Standard-Systeme wie das Lager- und Dosiersystem Dulcodos Phos-EL werden dazu anhand vorgegebener Applikationen und örtlicher Gegebenheiten kundenspezifisch konfiguriert und anschlussfertig geliefert. Zur Basisausstattung gehören Behälter von 1.000 - 30.000 m³ Volumen, einer Auffangwanne, Dosierpumpe(n), Durchflussmessgeräte(n), Pulsationsdämpfer(n), Klemmenkasten, Leitern, Podeste, Bühnen und einer Alarmhupe.

* Der Autor ist Mitarbeiter von publikomm - die b2b agentur

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