Entfernung von Phosphor aus Abwasser durch Flotation mit gelöster Luft

• 1. Einleitung
• 2. Phosphor im Abwasser
• 3. Abwasserbehandlungssysteme mit Phosphor
• 4. Behandlung von phosphorhaltigem Abwasser mittels DAF-Flotation
• 5. Zusammenfassung

1. Einleitung

Phosphor ist ein lebenswichtiges Element , sowohl für einfache Organismen als auch für solche mit komplexeren Strukturen. Seine Rolle in der Biologie ist von grundlegender Bedeutung, da es an der Bildung zahlreicher Zellbestandteile beteiligt ist, darunter:

• Die Zellmembran sowie die DNA.
• Die als Transferasen bezeichneten Enzyme: ADP (Adenosindiphosphat) und ATP (Adenosintriphosphat), die die Eigenschaft besitzen, Energie zu speichern oder abzugeben, indem sie von einer Form in die andere umgewandelt werden.
• Die Polyphosphatase-Kinase-Enzyme, die Polyphosphate speichern oder wiederherstellen können.

Ein Mangel an Phosphor hemmt das Wachstum von Planktonalgen, insbesondere bei bestimmten Arten wie den „Blaualgen“, die in der Lage sind, Stickstoff aus der Luft zu binden.

Phosphor ist ein essenzieller Nährstoff für Mikroorganismen, die organische Stoffe im Abwasser abbauen. Phosphor kann jedoch auch zu Eutrophierung führen, d. h. zu einer Verschlechterung der Qualität von Oberflächengewässern durch übermäßigen Algenwachstum. Phosphor kommt im Abwasser in Form von Phosphaten vor, bei denen es sich um sehr reaktive Verbindungen handelt.

Darüber hinaus hat die Phosphorbelastung erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen, da sie die normale Ausübung verschiedener beruflicher Tätigkeiten beeinträchtigt und zudem die Kosten für die Wasseraufbereitung zur Trinkwasserversorgung in die Höhe treibt.

Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass Maßnahmen ergriffen werden, um den Phosphorgehalt in unseren Abwässern zu senken.   

Wichtigste Phosphorverbindungen

P-Verbindungen	Formel	Probenvorbereitung	Testküvetten	Prozessinstrument	Ergebnisanzeige + Anwendungsbereich
Orthophosphat	PO43–	Filtern	LCK049* LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX (Vanadat-Molybdat-Methode)	– Orthophosphat(PO₄-P) (z. B. Abwasser: Kontrolle der Phosphatausfällung) – Orthophosphat (PO₄ ) (z. B. Trinkwasser und Kesselwasser)
Polyphosphate	PO4-PO4-PO4–	Homogenisierung, Aufschluss
Organische Phosphorverbindungen	R-PO4	Homogenisierung, Aufschluss
Gesamtphosphatbelastung (Orthophosphat + Polyphosphate + organische Phosphorverbindungen)	Gesamt-PO4	Homogenisierung, Aufschluss	LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX sigma (Molybdänblau-Methode gemäß EN 1189)	Gesamt-P =Gesamt-PO₄-P(z. B. Abwasser: Grenzwertüberwachung) Gesamt-PO₄ (z. B. Trinkwasser und Kesselwasser)

Wichtig: Bei der Abwasseranalyse wird die_{PO4-Konzentration} immer als Phosphorgehalt des Phosphats angegeben! Das heißt, das Ergebnis wird als_PO4-P angegeben (Umrechnungsfaktor:_PO4-P × 3,07 –_PO4). Die in den geltenden Rechtsvorschriften festgelegten Grenzwerte, z. B. der Grenzwert am Auslauf einer Kläranlage, werden in der Einheit Gesamt-P =_Gesamt-PO4-P angegeben.
*) LCK348, 349 und 350: Molybdänblau-Methode gemäß EN 1189; LCK049: Vanadat-Molybdat-Methode

2. Phosphor im Abwasser

Die PhosphorbelastungdurchAbwasser stellt ein ernstes Problem dar. Es handelt sich um ein für das Leben notwendiges chemisches Element, das jedoch in übermäßigen Mengen schädliche Auswirkungen haben kann. Es begünstigt das übermäßige Algenwachstum, das alsEutrophierung bekannt ist. Dieses Phänomen verhindert, dass das für das Wachstum anderer Wasserpflanzen notwendige Sonnenlicht durchdringt, und bei ihrer Zersetzung verbrauchen die entstandenen Algen den im Wasser gelösten Sauerstoff, was zum Tod von Fischen und anderen Wasserorganismen führt.                 

Phosphor gelangt hauptsächlich auf zwei Arten ins Abwasser :

1. Durch die direkte Einleitung von phosphathaltigen Reinigungsmitteln und Düngemitteln
2. Als natürliche Folge von Bodenerosion und -abtrag.

In Kläranlagen spitzt sich das Problem jedoch zu, da diese oft nicht dafür ausgerüstet sind, Phosphor wirksam abzutrennen und zu entfernen, sodass er in gefährlichen Mengen in die Umwelt gelangt.

Phosphor kann das Grund- und Oberflächenwasser verunreinigen, das häufig als Trinkwasserquelle genutzt wird. Der Verzehr von mit Phosphor verunreinigtem Wasser kann beim Menschen zu Gesundheitsproblemen wie Nierenschäden und Osteoporose führen. Phosphor kann sich auch in den Sedimenten am Grund von Gewässern ansammeln, wo er unter bestimmten Bedingungen wieder ins Wasser freigesetzt werden kann. Das bedeutet, dassPhosphornoch lange nach seiner Einleitung Probleme mit der Wasserqualität verursachen kann,   

Schätzungen zufolge stammen etwa 85 % des in die Umwelt gelangenden Phosphors aus dem Kanalisationsnetz der kommunalen Abwässer (ARU). Die Landwirtschaft ist für die restlichen 15 % verantwortlich, wobei ihr Einfluss relativ gering ist, da Phosphor – anders als Nitrate – gut vom Boden aufgenommen und gespeichert wird. Phosphor kommt als Phosphat in folgenden Formen vor:                                                                                      

• Lösliche Orthophosphate: Sie sind leicht ausfällbar und können direkt aus den Abwässern stammen oder als Ergebnis des Abbaus organischer oder anorganischer Polyphosphate im Klärprozess entstehen.

• Polyphosphate: Sie können organisch oder anorganisch sein. Sie können zu Orthophosphaten abgebaut werden oder inerte bleiben.                                                           

Vorhandensein von Phosphor

Sie können sich auch in Lösung oder in einer mehr oder weniger sedimentierbaren Suspension befinden. Das Verhältnis zwischen diesen verschiedenen Formen ist sehr unterschiedlich, sodass keine allzu konkreten Angaben gemacht werden können:

• In einer Brutto-ARU können Orthophosphate 15 % bis 35 % der Gesamtphosphate ausmachen.
• In den dekantierten ARU steigt der Anteil um 5 % bis 10 %.
• In einer Kläranlage mit biologischer Nachbehandlung kann der Anteil an Orthophosphaten bis zu 50 % oder sogar 90 % betragen.

Vergleicht man anorganische und organische Formen, so machen letztere etwa 30 % aus.

Nur ein geringer Anteil der Phosphate (die überwiegend organischen Ursprungs sind) ist sedimentierbar. Dieser Anteil wird in der Regel auf 5 bis 15 % der Gesamtmenge geschätzt. Als grobe Schätzung können wir 10 % als realistischen Wert annehmen.

Phosphorkreislauf

Der Phosphorkreislauf ist ein biogeochemischer Prozess, der in Ökosystemen abläuft und beschreibt, wie sich diese Verbindung bewegt.

• Die Organismen nehmen das Element in Form von Phosphaten auf.
• Sowohl der Boden als auch lebende Organismen (Pflanzen, Tiere und Menschen) stehen in Wechselwirkung miteinander, und ein Großteil des Phosphats gelangt zudem in die Meeresgewässer, wo es von Vögeln, Fischen und Algen aufgenommen wird.
• Der Anteil von Phosphor in der Materie ist zwar gering, spielt jedoch eine unverzichtbare Rolle für das Leben.
• Der biogeochemische Phosphorkreislauf erstreckt sich über die gesamte Biosphäre. Dies umfasst alle Ökosysteme, sowohl terrestrische als auch aquatische. Der Kreislauf sorgt dafür, dass die wichtigsten zellulären Bedürfnisse jedes Organismus gedeckt werden.

3. Abwasserbehandlungssysteme mit Phosphor

Die Entfernung von Phosphor aus dem Abwasser erfolgt in der Regel durch physikalisch-chemische oder biologische Verfahren oder durch eine Kombination aus beiden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Entfernung von Phosphor und seinen Verbindungen aus dem Abwasser. Dies sind die drei gängigsten Abscheidungsverfahren:

• Als sedimentierbares MS: Durch die Vorklärung entfernt.
• Als kolloidales MS: In diesem Fall ist zur Entfernung eine Flockung erforderlich, die entweder auf natürliche Weise durch den Belebtschlamm (gleichzeitige Entphosphatierung) oder durch die Zugabe von Koagulierungs- und Flockungsmitteln (vor oder nach der Entphosphatierung) herbeigeführt wird.
• Als lösliche Substanz: Der phosphorhaltigen Lösung wird ein Aluminium-, Eisen- oder Kalksalz zugesetzt, sodass eine unlösliche Verbindung (Metallphosphate oder Phosphat-Kalzium-Verbindungen) entsteht, wodurch der Phosphor in Form eines Salzes ausfällt. Da eine pH-Korrektur nicht praktikabel ist, muss eine Dosis an dreiwertigem Salz zugegeben werden, die über dem theoretischen Molverhältnis von 1:1 liegt.

3.1 Physikalisch-chemische Behandlung

Unlösliche Phosphatmetallsalze setzen sich nur schwer ab, weshalb eine Flockung mit einem Überschuss an Koagulierungsmittel erforderlich ist und zusätzlich ein organisches Polymer als Flockungshilfsmittel zugesetzt werden muss. Dieser Vorgang ist auch notwendig, um kolloidal vorliegende Phosphatverbindungen zu entfernen. Die effizienteste Technologie ist die Flotation mit aufgelöster Luft (DAF), da die gebildeten Flocken nur schwer sedimentieren.                                                                 

3.2 Biologische Behandlung

Bei diesem Verfahren kommen Mikroorganismen zum Einsatz, die in der Lage sind, überschüssigen Phosphor anzureichern. Dabei nehmen die Bakterien den im Wasser vorhandenen Phosphor auf und bauen ihn in ihre Zellen ein. Wenn diese Bakterien absterben und sich absetzen, bleibt der Phosphor im entstehenden Schlamm zurück und kann leicht entfernt werden.

SIGMADAF verfügt über Technologien, die eine biologische Behandlung von Abwässern mit einem Phosphorüberschuss ermöglichen. Das MBBR-Verfahren (biologische Behandlung mit beweglichen Filtermedien) ermöglicht die Behandlung dieser Abwässer unter Verwendung spezieller Filtermedien und unter ausgewählten Bedingungen. Diese Technologie bietet maximale Leistung bei minimalem Platzbedarf und führt zu einer erheblichen Senkung der Betriebskosten (Energie, Schlammbehandlung usw.).

3.3 Kombinierte Methode

Dies ist in der Regel die effizienteste Methode. In diesem Fall wird zunächst eine physikalisch-chemische Behandlung durchgeführt, um einen Großteil des Phosphors zu entfernen, und anschließend wird die biologische Behandlung auf die verbleibenden Mengen angewendet.

SIGMADAF kombiniert die Technologien DAF, MBBR und MBR , um bei Abwässern mit hohem Phosphorgehalt optimale Reinigungsergebnisse zu erzielen.

Letztendlich hängt die Wahl der am besten geeigneten Methode zur Phosphorentfernung von Faktoren wie der vorhandenen Phosphormenge, den verfügbaren Ressourcen und den geltenden Umweltvorschriften ab.

4. Behandlung von phosphorhaltigem Abwasser mittels Flotation mit gelöstem Sauerstoff

Das am besten geeignete Verfahren zur Abscheidung von suspendierten Phosphaten ist die Flotation mittels DAF-Systemen. Dies liegt an der geringen Dichte der Flocken, die nach der chemischen Aufbereitung der Abwässer entstehen, welche mit speziellen Koagulierungs- und Flockungsmitteln durchgeführt wird.

SIGMADAF bietet DAF-Anlagen zur Abscheidung von Phosphor und anderen Schadstoffen an. Diese Anlagen bestehen aus einem Mischsystem in Form einer Rohrschlange (PFL) und anschließend aus einem Flotationssystem mit gelöster Luft (DAF).

Die PFL-Flockungsanlagen zeichnen sich durch das Prinzip des „Inline-Prozesses“ aus. Die verschiedenen Prozesse, die in diesen Anlagen ablaufen (Koagulation, Flockung, Demulsifizierung, Ausfällung und pH-Regulierung), finden unter streng kontrollierten und genau definierten Bedingungen statt, sodass das Abwasser anschließend im DAF-System leicht geklärt werden kann.

PFL-DAF-Aufbaukombination

Die Flotation mit gelöstem Luft ist eine ideale Technologie für die effektive Abscheidung von Feststoffen, Ölen, Fetten und Flocken aus dem Abwasser.

Das aufbereitete Abwasser wird aus der Koagulations- und Flockungsanlage in die DAF-Anlage gepumpt, wo Koagulierungsmittel, Polyelektrolyte und Mittel zur pH-Einstellung dosiert werden, um eine effektive Flockenbildung zu gewährleisten. Bei Vorhandensein von löslichem Phosphor kann zusätzlich Kalk zugegeben werden.

DAF-Anlagen sind speziell für die Behandlung von Abwasser konzipiert, das Feststoffe mit geringer Schwimmfähigkeit enthält und für deren Abscheidung eine große Oberfläche benötigt. Die zugeführte Druckluft ist erforderlich, um die Schwimmfähigkeit der Partikel zu verbessern, wenn deren spezifisches Gewicht durch eine Mischung aus Emulsionen, Ölen und Feststoffen beeinträchtigt wird.

Eine Umwälzpumpe leitet einen Teil des geklärten Wassers zum Auslass der DAF-Anlage, wo sich eine Druckbeaufschlagungs-/Sättigungsanlage befindet. Das umgewälzte Wasser wird von der Pumpe auf einen Druck von etwa 6 bar gebracht und mit Luft vermischt. Unter diesen Druckbedingungen löst sich die Luft im Wasser auf.

Innerhalb der DAF-Anlage findet eine Druckentlastung statt, wodurch Luftmikrobläschen mit einem Durchmesser zwischen 3 und 50 Mikrometern entstehen, die sich auflösen und so die Entfernung von Feststoffen und Flocken ermöglichen, die nicht zum Aufschwimmen neigen. Die Bläschen haften schnell an den in der Suspension befindlichen Flocken, die an die Oberfläche steigen, wo sie aufgrund ihrer geringeren Schüttdichte schwimmen.

Diese Mischung aus Wasser und entlüfteten Luftblasen wird unter laminaren Strömungsbedingungen gleichmäßig im Einlaufbereich der DAF-Anlage verteilt. Die aufgeschwommenen Partikel werden hingegen direkt zum Abschäumsystem im oberen Teil der Anlage geleitet, wo sie mittels einesSkimmer-Systems entfernt werden.

Das sedimentierbare Material sinkt in den Sedimentbehälter am Boden der DAF-Anlage ab und wird über das Schlammabsaugsystem abgeführt.

Sobald sich an der Oberfläche Schaum gebildet hat, wird dieser mechanisch aus dem aufbereiteten Wasser entfernt. Phosphate und andere Schadstoffe reichern sich im Schaum an, sodass dieser zurückgewonnen oder gemäß den örtlichen gesetzlichen Vorschriften sicher entsorgt werden kann.

Das geklärte Wasser wird über ein einstellbares Überlaufsystem aus der DAF-Anlage abgeleitet.

Schematische Darstellung der Phosphatabscheidung mittels DAF

5. Zusammenfassung

Der im Abwasser enthaltene Phosphor stellt ein ernstes Problem dar, das vorrangig angegangen werden muss. Dieses Element ist zwar lebenswichtig, kann jedoch in großen Mengen den aquatischen Ökosystemen schaden und zur Vermehrung schädlicher Algen (Eutrophierung) beitragen.Die Abwasserbehandlungistdaher von größter Bedeutung, um die Menge an Phosphor zu reduzieren, die in die Umwelt gelangt.

In diesem Artikel wurden die verschiedenen Techniken zur Entfernung von Phosphor aus Abwasser behandelt, darunter physikalische, chemische und biologische Verfahren. Obwohl jedes dieser Verfahren seine Vor- und Nachteile hat, zeigt sich, dass die Kombination dieser Techniken die größte Wirksamkeit bei der Entfernung dieses Schadstoffs bietet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behandlung von phosphatbelastetem Abwasser mittels DAF eine wirksame Methode zur Senkung der Phosphatkonzentrationen darstellt und somit zum Umweltschutz sowie zur Einhaltung der Vorschriften zur Wasserqualität beiträgt.

Eine angemessene Abwasserbewirtschaftung und -regulierungspielt ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Phosphorverschmutzung. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass Regierungen und zuständige Organisationen die erforderlichen Vorschriften für die Abwasserbehandlung festlegen und durchsetzen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dassjeder von uns einen Beitrag zurVerringerung der Phosphorbelastungleisten kann. Durch den verantwortungsvollen Umgang mit phosphorhaltigen Produkten wie Waschmitteln und Düngemitteln können wir dazu beitragen, die Freisetzung dieses Elements in die Umwelt zu minimieren. Daher ist es unerlässlich, dass wir uns alle der Schwere dieses Problems bewusst werden und gemeinsam daran arbeiten, unsere wertvollen Gewässer zu schützen.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

Phosphorabbau im Abwasser (usal.es)

Phosphor im Abwasser: Umweltauswirkungen und Behandlungsmethoden | Wasserinstitut

Phosphorabbau im Abwasser (usal.es)