Koagulation und Flockung in der Abwasserbehandlung

• 1. Einführung in den Koagulations- und Flockungsprozess
• 2. Was ist eine kolloidale Substanz?
• 3. Prozess der Koagulation und Flockung von kolloidalen Stoffen.
• 4. Trennung von Kolloiden mittels DAF-Flotation
• 5. Schlussfolgerung

1. Einführung in den Koagulations- und Flockungsprozess

Abwasser enthält in der Regel Feststoffpartikel unterschiedlicher Größe und Herkunft, die zu seiner Verschmutzung beitragen. Diese Feststoffe können organischer oder anorganischer Natur sein, und ihre Größe kann von Bruchteilen eines Mikrometers bis zu Millimetern reichen. Sie werden als Gesamtfeststoffe (SST) oder Schwebstoffe ( ) bezeichnet, und ihr Vorhandensein kann zu Verstopfungen und Schäden an den Anlagen führen, durch die das Abwasser fließt. Wenn sie organischer Natur sind, können sie zudem Biofilme bilden und zu Brutstätten für Gärungsprozesse und Infektionen werden.

So wie im kommunalen Abwasser üblicherweise Fäkalien, Reinigungsmittel und andere häusliche Abwässer zu finden sind, enthält Industrieabwasser in der Regel Schadstoffe aus der Produktreinigung, Produktionsrückstände, Abwässer aus der Reinigung von Kreisläufen und Anlagen, Chemikalien usw.          

Die gesamten suspendierten Feststoffe entsprechen den ungelösten Feststoffen, die in der Flüssigkeit dispergiert bleiben und nicht zum Absetzen neigen. Aufgrund ihrer elektrischen Ladung liegen sie in Form einer Suspension oder als Kolloid vor. Ihre Konzentration wird in mg/l (ppm) gemessen.

Eigenschaften	Federungen	Auflösungen	Kolloide
Partikelgröße	≥1000 nm	0,1 – 1 nm	1 – 1000 nm
Es kommt zu Ablagerungen	Ja	Nein	Nein
Sichtbarkeit	Durchsichtig oder undurchsichtig	Transparent	Undurchsichtig oder durchsichtig
Trennung durch Filtration	Ja	Nein	Nein
Es tritt der Tyndall-Effekt auf	Nicht zutreffend	Nein	Ja
Aktuelle Phasen	2	1	2

In einer Lösung ist die gesamte Flüssigkeit homogen, und die gelösten Feststoffe sind nicht zu erkennen, während in einer Suspension die Feststoffe sichtbar und filtrierbar sind und dazu neigen, sich abzusetzen. In einer kolloidalen Dispersion sind die Feststoffe nicht filtrierbar und nur durch den Tyndall-Effekt mit bloßem Auge wahrnehmbar.         

Der Tyndall-Effekt ist ein optisches Phänomen, mit dem sich die Lichtstreuung durch kolloidale Partikel nachweisen lässt. Wird eine kolloidale Lösung mit einem Lichtstrahl beleuchtet, streuen die Partikel das Licht und lassen die Mischung trüb oder undurchsichtig erscheinen.

Tyndall-Effekt

2. Was ist eine kolloidale Substanz?

Die Bildung von Kolloiden entsteht dadurch, dass sich die in wässrigen Lösungen suspendierten Feststoffpartikel nicht durch Sedimentation und Filtration abscheiden lassen. Es handelt sich um ein empfindliches Gleichgewicht zwischen elektrostatischen Kräften, Partikelgröße und Umgebungsbedingungen. Diese Faktoren bestimmen die Stabilität und die Eigenschaften der Kolloide in Lösung. Es ist ein komplexer Prozess, der von folgenden Faktoren abhängt:

Partikelgröße: Kolloidale Partikel liegen von ihrer Größe her zwischen den größten Partikeln und den kleinsten Molekülen. Die Größe beeinflusst die Stabilität des Kolloids. Kleinere Partikel neigen dazu, stabilere Kolloide zu bilden.

• Elektrische Ladung: Kolloidale Partikel weisen aufgrund der Adsorption von Ionen eine elektrische Oberflächenladung auf. Die elektrostatische Abstoßung zwischen gleich geladenen Partikeln verhindert, dass sie sich zusammenlagern. Die Oberflächenladung kann durch Zugabe von Elektrolyten oder Tensiden verändert werden.
• Eigenschaften des Lösungsmittels: Die Polarität des Lösungsmittels beeinflusst die Bildung von Kolloiden. In polaren Lösungsmitteln wie Wasser neigen kolloidale Partikel dazu, sich leichter zu verteilen.
• Temperatur: Die Temperatur beeinflusst die Löslichkeit und Stabilität von Kolloiden. Einige Kolloide können bei extremen Temperaturen ausfallen oder ausfälligen.
• Beschaffenheit der Partikel: Kolloidale Partikel können organischer oder anorganischer Natur sein. Das Vorhandensein von funktionellen Gruppen an den Partikeln beeinflusst ebenfalls die Bildung von Kolloiden.
• Rühren und Mischen: Mechanisches Rühren fördert die Dispersion von Partikeln und die Bildung von Kolloiden. Das richtige Mischen ist entscheidend für eine gleichmäßige Verteilung.

Viele Kolloide entstehen durch Peptisierung oder Deflokulation. Dabei handelt es sich um einen chemischen Prozess, bei dem ein Niederschlag durch Rühren mit einem Elektrolyten, dem sogenannten Peptisierungsmittel, in ein Kolloid umgewandelt wird. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die kolloidalen Partikel elektrische Ladungen gleichen Vorzeichens aufweisen, die sich gegenseitig abstoßen. Dies geschieht durch die Zugabe eines Elektrolyten zum System (zum Beispiel einer konzentrierten NaCl-Lösung).

Die Peptisierung wirkt sich negativ auf die Sedimentations- und Filterprozesse der im Abwasser enthaltenen Schwebstoffe aus

Die Messung der Oberflächenladungen von kolloidalen Partikeln ist für das Verständnis ihres Verhaltens und ihrer Stabilität von entscheidender Bedeutung. Im Folgenden stellen wir die gängigsten Methoden zur Bestimmung dieser Ladungen vor:

• Tyndall-Effekt: Wie bereits im vorigen Punkt erwähnt, handelt es sich um ein Phänomen, das mit bloßem Auge durch die Lichtbrechung an den Partikeln zu erkennen ist.
• Zeta-Potenzial: Das Zeta-Potenzial ist ein quantitatives Maß für die elektrische Ladung in der elektrischen Doppelschicht um kolloidale Partikel. Es wird mittels Techniken wie der Elektrophorese oder der Rasterkraftmikroskopie gemessen. Bei der Elektrophorese wird ein elektrisches Feld an eine kolloidale Lösung angelegt und die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel gemessen. Das Zeta-Potenzial wird anhand dieser Geschwindigkeit mit Hilfe von Geräten, sogenannten Zetametern, berechnet. Bei dieser Messung wird der pH-Wert des Mediums berücksichtigt, der bei natürlichem Wasser bei Werten von -14 bis -30 mV bei einem pH-Wert von 5 bis 8 liegt. Je negativer dieser Wert (mV) ist, desto größer ist die elektrische Ladung der Partikel. Die Rasterkraftmikroskopie ermöglicht es, die Abstoßungs- oder Anziehungskräfte zwischen kolloidalen Partikeln auf einer festen Oberfläche sichtbar zu machen und zu messen.
• Trübung: Dies ist der einzige Parameter, der kontinuierlich gemessen wird. Er wird üblicherweise in NTU (Nephelometric Turbidity Unit) angegeben, und es lässt sich ein Zusammenhang mit der SST-Konzentration herstellen, wobei jedoch immer Laborwerte erforderlich sind, um die mathematische Korrelation zu ermitteln. Zur Messung dieses Parameters werden sogenannte Trübungsmessgeräte verwendet.
• Oberflächenleitfähigkeit: Die Oberflächenleitfähigkeit liefert ebenfalls Informationen über die elektrischen Ladungen. Sie basiert auf der Ionenverteilung in der elektrischen Doppelschicht und bewertet, wie sich diese auf das elektrische Feld auswirkt. Ist die Leitfähigkeit hoch, wird das Zeta-Potenzial unterschätzt.
• Analyse der elektrischen Doppelschicht: Die elektrische Doppelschicht ist der Bereich um ein kolloidales Teilchen, in dem elektrische Ladungen mit der Umgebung in Wechselwirkung treten. Ihre Untersuchung liefert Informationen über die Oberflächenladungen.

3. Koagulations- und Flockungsprozess von kolloidalen Stoffen

Koagulation und Flockung sind wesentliche Prozesse bei der Abwasserbehandlung, da sie die Abscheidung von kolloidalen und besonders feinen Schwebstoffen ermöglichen.

Die Koagulation ist der Prozess, durch den die im Wasser vorhandenen kolloidalen Partikel destabilisiert werden. Dies geschieht durch die Neutralisierung der elektrischen Ladungen an der Oberfläche dieser Partikel.    

Diese Neutralisierung wird durch Koagulierungsmittel erreicht, bei denen es sich in der Regel um positiv geladene Metallsalze handelt. Gängige Beispiele für Koagulierungsmittel sind Aluminiumsulfat, Aluminiumchlorid (PAC) sowie Eisen(III)-sulfat und Eisen(III)-chlorid.

Dieser Prozess findet in einer Kammer mit schneller Durchmischung (ca. 1500 U/min) und Schwertflügeln statt, wobei die Verweildauer etwa 3 bis 5 Minuten beträgt.

Der pH-Wert ist wichtig, um eine gute Flockung sicherzustellen. Der ideale pH-Wert hängt von der Art des verwendeten Flockungsmittels ab. Bei eher sauren pH-Werten wird üblicherweise_FeCl₃ verwendet, bei eher alkalischen pH-Werten meist Aluminiumsalze vom Typ PAC und bei neutralen pH-Werten meist_Al₂(_SO₄)_₃.

Nach der Koagulation gruppieren sich die destabilisierten kolloidalen Partikel und bilden kleine Flocken, die weiterhin dazu neigen, in der Suspension zu verbleiben. Um sie zu größeren, leicht abtrennbaren Flocken zu agglutinieren, werden Flockungsmittel (Polyelektrolyte) zugesetzt, bei denen es sich um langkettige Polymere mit hohem Molekulargewicht handelt. Diese Flockungsmittel wirken wie ein Netz und sammeln die Koagulate zu größeren Gruppen, die durch Dekantieren, Flotation oder Filtration abgetrennt werden können.

Gelegentlich können sich sogenannte „Pin Flocs“, auch als „Pin-Point-Flocs“ bekannt, bilden. Es handelt sich um ein Phänomen, das im Zusammenhang mit der Abwasserbehandlung und in Belebtschlammverfahren auftritt und durch die Bildung kleiner Flocken mit einer nadelspitzenartigen Struktur gekennzeichnet ist. Diese Flocken sind zerbrechlich und weisen folgende Probleme auf:

• Sie haben Schwierigkeiten, sich abzusetzen und am Boden des Tanks oder Klärbeckens zu lagern.
• Schwierigkeiten, sich von der Flüssigkeit zu lösen und einen dichten Film auf einem Schwimmer zu bilden.
• Sie neigen dazu, zu zerbrechen, wenn sie undicht werden; sie neigen dazu, zu zerbrechen
• Das gereinigte Abwasser kann aufgrund dieser Feststoffe trüb erscheinen.

Diese Pinflocs entstehen in der Regel in altem Schlamm oder in bestimmten Industrieabwässern mit dispergierenden Eigenschaften. Sie treten häufig auch während der Inbetriebnahme von Abwasserbehandlungsanlagen auf und verschwinden, sobald sich die Flockung stabilisiert hat.

KolloidaleMizellen spielen eine wichtige Rolle bei den Koagulations- und Flockungsprozessen in der Abwasserbehandlung.

Kolloidale Mizellen sind Molekülaggregate mit einem hydrophilen und einem hydrophoben Teil (amphiphil), die sich in wässrigen Lösungen bilden. Diese Mizellen haben eine kugelförmige oder zylindrische Struktur, wobei sich die hydrophilen Köpfe an der Oberfläche befinden und die hydrophoben Schwänze im Inneren gruppieren. Mizellen können wasserunlösliche Stoffe wie Fette und Öle transportieren und in Suspension halten und sogar die Löslichkeit bestimmter unerwünschter Schadstoffe erhöhen. Kolloidale Mizellen können auch durch Koagulierungsmittel destabilisiert werden, da die hydrophilen Köpfe der Mizellen mit den Ionen des Koagulierungsmittels interagieren können.

Während der Flockung können sich kolloidale Mizellen an der Oberfläche der gebildeten Flocken anlagern. Dies trägt zur Stabilität dieser Flocken bei und erleichtert deren Rückhaltung bei Filter- oder Sedimentationsprozessen.

Kolloidale Mizellen sind Aggregate amphiphiler Moleküle, deren Stabilität von den elektrischen Ladungen an ihrer Oberfläche abhängt. Um die Stabilität dieser Mizellen zu bestimmen, wird die Partikel-Flüssigkeits-Grenzfläche mit dem Z-Potenzial gemessen, das proportional zur Stabilität des Kolloids ist.

Gerinnungs- und Flockungstests

Der „Jar-Test“ ist das am häufigsten verwendete Verfahren zur Bestimmung und Einstellung der Dosiermenge von Koagulierungs- und Flockungsmitteln im Wasser. Er hat den Vorteil, dass er mit einem tragbaren Gerät durchgeführt werden kann, das direkt am Einleitungsort eingesetzt werden kann. Es handelt sich um eine grundlegende Technik in der Wasseraufbereitung im Allgemeinen und in der Abwasserbehandlung im Besonderen.

Der Versuch wird in einer Laboranlage durchgeführt, die aus mehreren Bechern besteht. Jeder Becher steht für eine Stufe des Wasseraufbereitungsprozesses. Bei einem „Jar-Test“ werden den Bechern unterschiedliche Mengen an Koagulierungs- und Flockungsmitteln zugesetzt, um die realen Aufbereitungsbedingungen zu simulieren.

Jar-Test-Verfahren

Je nach dem zu dosierenden Flockungsmittel wird der pH-Wert des Einlaufwassers eingestellt und das Rührwerk in Betrieb genommen, um es zu homogenisieren.

Anschließend wird das ausgewählte Reagenz zugegeben, wobei mit kleinen Mengen begonnen wird, die schrittweise erhöht werden können, bis sich erste kleine Flocken bilden. Das Rühren erfolgt mit hoher Geschwindigkeit.

Anschließend wird das ausgewählte Flockungsmittel dosiert, das je nach der erwarteten Polarität der entstehenden Flocken kationisch, anionisch oder nichtionisch sein kann. Aufgrund ihrer hohen Viskosität und der geringen Dosierungen müssen die Flockungsmittel stark verdünnt sein (ca. 0,1 %).

In der Regel wird mehr Koagulierungsmittel (10–20 ppm) als Flockungsmittel (0,5–2 ppm) zugesetzt.

Bei der Flockung sollte langsam gerührt werden, um ein Zerfallen der gebildeten Flocken zu vermeiden.

Es ist die Konsistenz und Dichte der sich bildenden Flocken zu beobachten, die sich am Boden des Bechers absetzen.

Jar-Test-Gerät für Gerinnungs- und Flockungstests

Es ist üblich, mehrere Versuche mit verschiedenen Koagulierungs- und Flockungsmitteln durchzuführen, um den Prozess zu optimieren.

Das Aussehen des gebildeten Flockens kann uns einen Anhaltspunkt dafür geben, welches Trennverfahren am besten geeignet ist. Ist der Flocken dicht und setzt er sich leicht ab, kann die Dekantierung das geeignetste Verfahren sein, während bei schwer absetzenden, sehr lockeren oder fettigen Flocken die Flotation die geeignetste Technologie wäre. In jedem Fall ist dies jedoch nur ein erster Anhaltspunkt, der bei der Festlegung der am besten geeigneten Aufbereitungslinie zu berücksichtigen ist.

4. Trennung von Kolloiden mittels DAF-Flotation

Ein Dissolved-Air-Flotation-System (DAF)isteine hocheffiziente Technologie zur Behandlung von Abwasser, das Kolloide enthält, nachdem diese koaguliert und ausgeflockt wurden.

Das DAF -Verfahren ist ein Klärverfahren, bei dem Mikro-Luftblasen eingesetzt werden, um kolloidale Partikel und Schwebstoffe aus dem Wasser abzuscheiden. Es basiert auf der Fähigkeit der Luftblasen, sich an die Mikropartikel anzulagern und diese an die Oberfläche zu befördern, wodurch sich ein schwimmender Schaum bildet. Ein DAF-System ist besonders effektiv bei der Entfernung von Ölen, Fetten, Schwebstoffen und Flockungsstoffen.

Bei einem DAF-Float wird das verschmutzte Wasser in einen Flotationsbehälter geleitet, in den zuvor unter Druck gesetzte Luftmikrobläschen eingeleitet werden. Diese Mikrobläschen dehnen sich in der Flüssigkeit aus und haften an den kolloidalen Partikeln, die an die Oberfläche aufsteigen und eine Schaumschicht bilden, die durch ein mechanisches Kehrsystem in einen Trichter befördert wird.

Im Vergleich zum herkömmlichen Sedimentationsverfahren bietet die Klärung mittels eines DAF-Flotators erhebliche Vorteile, wie beispielsweise eine sehr hohe Entfernung von Schwebstoffen, Ölen und Fetten (≥95 %) sowie einen Trockensubstanzgehalt im Schlamm in der Größenordnung von 3–4 %, gegenüber den üblicherweise beim Sedimentationsverfahren erreichten 1 %.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Verfahren, die die Wiederverwendung von Abwasser erleichtern, hat sich die DAF-Technologie dank ihrer Effizienz bei der Klärung von Wasser, das anschließend durchMembranfiltrationstechnologien aufbereitet werden muss, weit verbreitet.

Die Membranfiltration ist ein physikalisches Verfahren, mit dem Moleküle unterschiedlicher Größe und Eigenschaften voneinander getrennt werden können. Es basiert auf der Verwendung von selektiv durchlässigen Membranen, um die Bestandteile auf zwei verschiedene Ströme zu verteilen. Der Transport durch die Membran erfolgt durch die Wirkung einer treibenden Kraft, wie beispielsweise eines elektrischen Potential-, Konzentrations- oder Druckgradienten.

Zu den Verfahren der Membrantrennung gehören unter anderem:

• Filtration: Dabei werden Membranen mit unterschiedlich großen Poren verwendet, um Partikel nach ihrer Größe zu trennen.
• Mikrofiltration (MF): Bei diesem Verfahren wird unter niedrigem Druck gearbeitet, um Partikel mit hohem Molekulargewicht, suspendierte Kolloide oder gelöste Feststoffe abzutrennen.
• Ultrafiltration (UF): Ermöglicht die Abtrennung von Makromolekülen und Kolloiden.              
• Dialyse: Dabei werden halbdurchlässige Membranen verwendet, um unerwünschte Stoffe aus einer Lösung zu entfernen.

Die folgende Grafik zeigt die Filterbereiche der verschiedenen Membrantypen sowie den negativen Einfluss kolloidaler Stoffe, die zu Verschmutzungen und Verstopfungen der Membranen führen.

Der SDI-Index (Silt Density Index) oder Fouling-Index ermöglicht die Messung der Effizienz eines Systems zur Abscheidung von gesamten Schwebstoffen. Die Berechnung erfolgt, indem ein Strom des zu analysierenden Wassers bei konstantem Druck (2,1 bar) durch einen Filter mit einer Porengröße von 0,45 Mikrometern und einem Durchmesser von 47 mm geleitet wird, der sich in einer speziellen Halterung befindet. Bei diesem Test wird die Zeit gemessen, die benötigt wird, um einen 500-ml-Behälter zu füllen, bevor und nachdem das Wasser 15 Minuten lang durch das Filterpapier geleitet wurde.

Inhaltsverzeichnis SDI = (100 * (1 – (_t1 /_t2)) / T

Dabei_{ist t2} die Endzeit in Sekunden,_t1 die Startzeit in Sekunden und T die Messzeit in Minuten.

Ein als geeignet geltender SDI-Wert für die Speisung von UF-Membranen liegt bei 5 (ca. 1 NTU), während bei NF- und RO-Membranen die Werte SDI = 3 (ca. 0,1 NTU) nicht überschreiten sollten. Derzeit gibt es spezielle Membranen (FR = Fouling Resistance) für Abwasser, die höhere SDI-Werte (ca. SDI = 4 – 5) und hohe Konzentrationen an gelöstem CSB vertragen.

5. Schlussfolgerung

Schwebstoffe (TSS) sind die häufigsten Schadstoffe, die im Abwasser vorkommen. Viele dieser Feststoffe liegen in kolloidaler Form vor, sodass sie weder ausfallen noch durch einfache Filtration abgeschieden werden können. In diesen Fällen ist es notwendig, auf Koagulations- und Flockungsprozesse zurückzugreifen, um sie zu destabilisieren und Flocken zu bilden, deren Größe und Eigenschaften für die Abscheidung geeignet sind.

Die zur Klärung von Abwasser eingesetzten Technologien sind in der Regel die Sedimentation und die Flotation. Die DAF-Flotation übertrifft herkömmliche Sedimentationsverfahren in ihrer Leistungsfähigkeit und benötigt zudem weniger Platz für ihre Installation. Die Trockenmasse des durch DAF abgeschiedenen Schlamms ist deutlich höher als die mit Sedimentationsbecken erzielte Trockenmasse, weshalb dieses Verfahren als besser geeignet gilt für die Wiederverwendung dieses Abwassers, das anschließend einer Membranbehandlung unterzogen werden muss.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

DAF-Technologie in der Papierindustrie zur Wiederverwendung von Abwasser – Nachrichten – Wuxi Gongyuan Environmental Equipment&Technology Co., Ltd (gyeclarifier.com)

PPT – PowerPoint-Präsentation, kostenloser Download – ID:2632688 (slideserve.com)

Welche Auswirkungen hat der Papierverbrauch auf die Umwelt? – Finde es hier heraus (ecologiaverde.com)