Projekt 11170/01

Optimierung eines Verfahrens und eines Reaktors zur Phosphateliminierung als Sanierungsmaßnahme stehender und fließender Gewässer in einer labor- und halbtechnischen Phase

Projektträger

Frings Recycling-Anlagen GmbH & Co. KG
Horbellerstr. 15
50858 Köln
Telefon: 0228/9833540

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Eutrophierung stehender und fließender Gewässer stellt eine Einschränkung ihrer Nutzungsmöglichkeiten dar und verändert die ökologischen Bedingungen eines aquatischen Biotops. Die Ursache derartiger Eutrophierungsprozesse ist in den meisten Fällen ein übermäßiger Nährstoffeintrag - insbesondere von Phosphorverbindungen - in die Gewässer. Ziel des Projektes war es, das labortechnisch bereits entwickelte Verfahren zur P-Eliminierung aus Oberflächenwässern im halbtechnischen Maßstab zu optimieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Eliminierung von Phosphorverbindungen aus kleinen Zuflüssen stehender Gewässer mit dem Ziel der Verminderung von Eutrophierungsprozessen wurde ein Verfahren unter Anwendung amorpher Eisenhydroxide (Ferrihydrit) entwickelt und optimiert, das bei einer Zulaufkonzentration von mindestens 100 µg/l Pges -P und je nach pH-Wert eine Gesamt-P-Eliminierung von etwa 60 - 90 % erreicht.

Kernstück des Verfahrens ist ein mit Ferrihydrit-Schlamm gefüllter Eisenhydroxidreaktor, der mit
P-angereichertem Leitungswasser von etwa 0,2 mg/l PO4 -P beschickt wurde. Anschließend wurde nach Passage des Eisenhydroxidreaktors durch den darin enthaltenen Ferrihydrit-Schlamm Phosphat sorptiv gebunden. Der Ablauf des Reaktors wurde über einen rückspülbaren Kiesfilter nachgereinigt. Das Sor-bensmaterial (Ferrihydrit) wurde im Kreislauf des Systems Eisenhydroxidreaktor - Kiesfilter gehalten. Die Anlage wurde ohne Zuführung externen Wassers als Kreislaufanlage gefahren.

Der Reaktor wurde diskontinuierlich mit Ferrihydrit befüllt und so lange betrieben, bis die Sorptionskapazität des Eisenhydroxids für die zugeführten Phosphorverbindungen erschöpft war. Je nach vorgelegter Eisenhydroxidmenge, Volumenstrom und P-Konzentration im aufzubereitenden Wasser (Zulauf) wurden Laufzeiten bis zu mehreren Wochen erreicht.


Ergebnisse und Diskussion

Zum Projekt liegt der ausführliche Bericht vom Juni 2000 vor.
Versuche zur Optimierung eines Verfahrens und eines Reaktors zur Phosphateliminierung als Sanierungsmaßnahme stehender und fließender Gewässer haben gezeigt, dass sich Ferrihydrit hierzu sinnvoll einsetzen lässt und damit keine unnötig teure und aufwendige Entsorgung über Deponierung stattfinden muss (Verwertungsgebot des Kreislaufwirtschaftsgesetzes).
Verfahrenstechnisch ist es möglich, im System Eisenhydroxidreaktor-Kiesfilter Phosphate aus wässrigem Medium (Rohwasser) zu eliminieren und die dabei entstehenden Eisenhydroxophosphatkomplexe im Kreislauf des Systems zu halten, und das ohne nennenswerten Austrag der gebildeten Komplexe; allerdings sind die nachfolgenden Aspekte zu beachten:
· Die Laufzeit eines Reaktors hängt im Wesentlichen ab von den Eigenschaften des Sorbensmaterials, dem Volumenstrom, der Einfüllmenge an Sorbens, der P-Konzentration des aufzubereitenden Wassers und dem pH-Wert des Wassers.
· Möglichst frisch gefälltes Ferrihydrit sollte als Sorbensmaterial genutzt werden; es ist nahezu 100 % Oxalat löslich. Älteres Material mit ausgeprägten Kristallstrukturanteilen (z. B. von Goethit) weist hohe Anteile sogenannten dithionitlöslichen Eisens auf; hiervon ist die Sorptionskapazität deutlich geringer als bei amorphem Sorbensmaterial.
· Bei der Rohwasserpassage sollte ein Volumenstrom gewählt werden, der 1,5 m/h nicht übersteigt; sonst wird der nachgeschaltete Kiesfilter zu sehr belastet und die notwendige Reaktionszeit für die Komplexierung des Phosphats an Ferrihydrit reicht nicht aus.
· Die maximale Füllmenge von Ferrihydrit ist im Wesentlichen abhängig vom Volumenstrom und von der Dimensionierung der nachgeschalteten Kiesfilter-Einheiten.
· Die Reaktoren sollten in Reihe geschaltet betrieben werden (Reaktor-Sandfilter-Reaktor-Sandfilter); hierdurch wird eine höhere Ausnutzung des Sorbensmaterials erreicht.
· Die P-Konzentrationen für Pges sollten mindestens bei 0,1 mg/l Pges liegen, um für die P-Eliminierung einen relativ hohen Wirkungsgrad von 70 - 95 % zu erreichen.

Mit niedrigen Rohwasser-pH-Werten ist eine längere Laufzeit des diskontinuierlich betriebenen Eisenhydroxidreaktors möglich als bei höheren pH-Werten; dies geht aus den Versuchsergebnissen hervor.
Ideale pH-Werte zur P-Eliminierung liegen unterhalb von pH 7,5.

Nach Sättigung des P-beladenen Sorbensmaterials ist eine anschließende Verwendung im landwirtschaftlichen Bereich möglich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Öffentlichkeitsarbeit: Vorstellung des Projektes anhand einer Posterpräsentation auf der ENVITEC in München im Jahr 1999.


Fazit

Die Projektergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren Phosphateliminierung mit Hilfe eines Eisenhydroxidreaktors auf Basis von Ferrihydrit besonders für die Behandlung kleiner Fließgewässer mit Pges-Konzentrationen ab 0,1 mg/l Pges eignet.

Zur Sanierung stehender Gewässer ist dieses Verfahren aus ökologischer Sicht besonders vor dem Hintergrund zu begrüßen, dass keine Begleitelektrolyte freigesetzt werden.

Das Verfahren könnte des Weiteren besonders zur Phosphateliminierung in Vollkreislaufanlagen, die der Fischproduktion dienen, denkbar sein, denn hier dürfen dem System keinesfalls Begleitelektrolyte wie Cl--Ionen zugeführt werden.

Weitere Anwendungsbereiche wären die Behandlung der Abläufe aus Fischzuchtanlagen und die Phosphatentnahme aus Zierteichen. Das Projekt ist nach unserer Gliederung in dem in der Schriftenreihe der Stiftung erscheinenden Buch Initiativen zum Umweltschutz eines von 14 verschiedenen Förderprojekten in der Rubrik ‚Sanierung von Gewässern.