Entwicklung und Untersuchung eines auf elektrolytischer Oxidation beruhenden Verfahrens zur ReinigunZusammenfassungIn der vorliegenden Arbeit wurde die elektrolytische Oxidation an \u00df-Bleidioxid-Anoden zur Reinigung h\u00e4uslicher Abw\u00e4sser untersucht. Die Zielsetzung bestand darin, die M\u00f6glichkeiten der Entwicklung eines technisch, \u00f6konomisch und \u00f6kologisch sinnvollen elektrochemischen Verfahrens zur Anwendung in alpinen Extremlagen zu beurteilen. Zur Behandlung des an Unterkunftsh\u00e4usern und Schutzh\u00fctten anfallenden Schmutzwassers lassen sich aufgrund der sehr speziellen Standortsituationen die im Tiefland etablierten mechanischen und biologischen Kl\u00e4rverfahren nur begrenzt \u00fcbertragen.Die Versorgung dieser Inselstandorte mit elektrischer Energie wird in zunehmendem Ma\u00dfe durch die Nutzung regenerativer Quellen sichergestellt, wobei die Speicherung des in den Phasen schwacher H\u00fcttenauslastung produzierten \u00dcberschu\u00dfstroms stark limitiert ist. Der Grundgedanke dieser Arbeit besteht daher darin, diesen \u00dcberschu\u00dfstrom direkt zur elektrochemischen Abwasserreinigung zu verwenden. Als vielversprechendste Matrix f\u00fcr eine elektrolytische Behandlung stellten sich Sickerw\u00e4sser aus Komposttoiletten heraus. Dieser hochbelastete Abwasserteilstrom f\u00e4llt in relativ geringen Mengen an, ist bei biologischer Kl\u00e4rung schlecht abbaubar und wirkt inhibierend. Des weiteren besitzt er eine hohe elektrische Leitf\u00e4higkeit und wird praktisch immer separat erfa\u00dft.Absatzweise elektrolytische Abbauversuche in ungeteilter Zelle mit menschlichem Urin als Modellabwasser dienten zur Untersuchung des Einflusses der Elektrolysebedingungen auf die Reinigungsleistung, wobei als Leitparameter der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB) herangezogen wurde. Verfolgt wurden neben der Chloridkonzentration die Stickstoffparameter Ammonium, Nitrat und Nitrit. Die Elektrolyte wurden auf adsorbierbare halogenorganische Verbindungen analysiert, die \u00fcber reaktive Chlorspezies gebildet werden k\u00f6nnen. Mittels polarographischer Bleibestimmung wurde die Korrosion der Bleidioxidanoden \u00fcberwacht. Variiert wurden Behandlungsdauer, anodische Stromdichte, Elektrolyttemperatur und CSB-Belastung des zu behandelnden Urins. Auch wurden alternative Anodenmaterialien getestet sowie der Einsatz geteilter Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, da\u00df Entf\u00e4rbung, Desodorierung sowie eine 95 %-ige CSB-Entfernung innerhalb 24 Stunden prinzipiell m\u00f6glich ist. Die Temperaturabh\u00e4ngigkeit der elektrolytischen Oxidation der Wasserinhaltsstoffe war gering. Ein w\u00e4rmerer Elektrolyt neigte jedoch weniger zum Sch\u00e4umen. Die Bleikontamination und der spezifische Energiebedarf wurden durch h\u00f6here Temperaturen gesenkt.Angesichts des kontr\u00e4ren Einflusses der anodischen Stromdichte auf Raum-Zeit-Ausbeute und spezifischen Energiebedarf der CSB-Eliminierung erwiesen sich bei der verwendeten Elektrodengeometrie 5 mA\/cm2 als Optimum. Auch blieb die st\u00f6rende Schaumentwicklung bei geringeren Stromdichten beherrschbar, die unerw\u00fcnschte Anodenkorrosion und die AOX-Neubildung traten in geringerem Ma\u00dfe auf.Elektrolytische Abbauversuche mit Realproben dienten zur \u00dcberpr\u00fcfung, Verfeinerung und Erg\u00e4nzung der mit Urin erhaltenen Ergebnisse. Dazu wurden von allen drei im deutsch-\u00f6sterreichischen Alpenraum eingesetzten Komposttoilettensystemen an mehreren Standorten Proben genommen. Es wurde ein starker Einflu\u00df der qualitativen Zusammensetzung der Sickerw\u00e4sser auf die CSB-Reinigungsleistung beobachtet. Die in der Literatur f\u00fcr Elektrolysen von Urin-F\u00e4kalmischungen in R\u00fchrkesselreaktoren beschriebene lineare Abh\u00e4ngigkeit der Raum-Zeit-Ausbeute bzw. die negativ exponentielle Abh\u00e4ngigkeit des spezifischen Energiebedarfs vom CSB konnte nicht best\u00e4tigt werden. Allerdings wurde die biologische Abbaubarkeit der Proben, indiziert durch den Quotienten CSB zu BSB5 mittels elektrolytischer Oxidation in allen F\u00e4llen verbessert.F\u00fcr eine effektive CSB-Verringerung eigneten sich neben den \u00df-Bleidioxid-Titan-Verbundanoden auch Platinelektroden und eine chlorentwickelnde Iridium-Titan-Mischoxidbeschichtung. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, da\u00df letztere als einzige keiner erkennbaren Degradation unterlag. Da\u00df sie trotzdem nicht f\u00fcr einen technischen Einsatz in Betracht gezogen wurde, lag an ihrer hohen Aktivit\u00e4t zur Bildung chlororganischer Verbindungen, analog zu den Platinanoden. Speziell sauerstoffentwickelnde Elektroden erwiesen sich als praktisch inaktiv, Graphit hingegen zeigte einen extremen Abbrand.F\u00fcr den kontinuierlichen Betrieb wurde eine f\u00fcnfstufige elektrochemische Reaktorkaskade aus ungeteilten Zellen mit PbO2\/Ti-Ti-Elektrodenstacks konstruiert. Orientierende Behandlungen von L\u00f6sungen der Modellverunreinigung Ethylenglykol fanden statt, die Abbauprodukte wurden ionenchromatographisch identifiziert und quantifiziert. Basierend auf diese Resultate wurden Volumenstr\u00f6me f\u00fcr eine realistische kontinuierliche Behandlung festgelegt. Bei diesen Flu\u00dfraten wurde das Verweilzeitverhalten der Durchflu\u00dfzelle untersucht und elektrolytische Abbauversuche einer Sickerwasser-Mischprobe durchgef\u00fchrt. Durch Anpassen der anodischen Stromdichte konnte die Eliminierung des CSB und des gel\u00f6sten organischen Kohlenstoffs verbessert und die Kontamination des Ablaufs mit Blei und chlorierten Substanzen verhindert werden. F\u00fcr CSB-Eliminierung wurden mittlere Raumzeit-Ausbeuten bis 374 mg\/hL erzielt, wof\u00fcr unter optimalen Bedingungen 69 Wh\/L elektrische Energie pro Abbaugrad aufzuwenden waren.Es wurde ein optimales Konzept zur Reinigung von Sickerw\u00e4ssern aus Komposttoiletten mittels elektrolytischer Oxidation formuliert. Um eine Anlage an wechselnden Abwasserstrom und Belastung zu adaptieren, wird die Parallelschaltung mehrerer zwei- bis dreistufiger Kaskadenstr\u00e4nge vorgeschlagen. F\u00fcr die Behandlung von t\u00e4glich 20 Litern einer Sickerwasser-Mischprobe bei photovoltaischer Elektrizit\u00e4tsversorgung wurden die Investitions- und Betriebskosten abgesch\u00e4tzt. Der Gro\u00dfteil der Kosten wird durch Neuanschaffung und Ersetzen der Verbundanoden verursacht.Derzeit stehen vor allem die f\u00fcr die Behandlung eines relativ kleinen Abwasserteilstroms extrem hohen Kosten der Einsatzf\u00e4higkeit eines elektrolytischen Oxidationsverfahrens an Inselstandorten in alpinen Extremlagen entgegen. Ein Schwerpunkt zuk\u00fcnftiger Forschung sollte daher auf der Entwicklung billigerer, stabilerer und aktiverer Anodenmaterialien liegen. Weiteres Verbesserungspotential liegt in der Vermeidung der besonders in ungeteilten Zellen auftretenden elektrolytischen Produktion von wassergef\u00e4hrdendem Chlorat bzw. dessen Emission.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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