DE102013011395A1 - Verfahren zur Abwasserbehandlung und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zu schaffen, welche die Entfernung von Verunreinigungen aus Abwässern mit gutem energetischem Wirkungsgrade zuverlässig garantiert, wodurch das gereinigte Wasser als Direkteinleiter eingespeist werden kann oder in speziellen Fällen einem weiteren Reinigungsprozess zugeführt werden kann. Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe ist die Rückgewinnung von Rohstoffen aus landwirtschaftlichen und kommunalen Abwässern bzw. solchen aus Biogasanlagen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das eine elektrolytische Behandlung des Abwassers umfasst unter Verwendung einer Anode, welche sowohl der Elektrolyse widerstehende Materialien als auch bei der Elektrolyse in Lösung gehende, sogenannte Opfermaterialien enthält, die beide gleichzeitig dem Abwasser ausgesetzt werden. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist als der der Elektrolyse widerstehenden Teil der Anode einen formstabilen Anodenkäfig (4) aus Platin, Titan, Mob, Palladium, Ruthenium oder platiniertem Titan auf, der mit ,Aluminium, Eisen, Magnesium, Calcium oder mit Gemischen dieser Metalle als Opfermaterial bestückt ist. Die Erfindung ist zur Abwasserbehandlung anwendbar.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abwasserbehandlung sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Beide finden insbesondere zur Entfernung von festen Partikeln, Suspensionen und gelösten biologischen Kontaminationen sowie von Verbindungen der Schwer- und Buntmetalle aus dem Abwasser Anwendung. Verfahren und Einrichtung können auch zur Rohstoffrückgewinnung aus landwirtschaftlichen und kommunalen Abwässern genutzt werden. Dabei sollen beispielsweise Phosphate und Ammoniumverbindungen selektiv aus dem Abwasser entfernt werden.
- Ein als „Advanced Oxidation Process” (abgekürzt „AOP”), im Deutschen auch als erweiterte Oxidation bezeichnetes Verfahren nutzt starke Oxidationsmittel, wie Ozon oder Wasserstoffperoxid zum Abbau organischer und anorganischer Stoffe im Abwasser durch Oxidation (Wikipedia, Stichwort „Advanced Oxidation Process”). Dieses AOP-Verfahren gewährleistet jedoch bei der Behandlung stark verschmutzter Abwässer manchmal nicht deren vollständige Reinigung, so dass die Direkteinspeisung nicht möglich ist. Auch ist es wegen des schlechten Wirkungsgrades der Ozonerzeugung mittels Hochspannung recht teuer.
- Als günstiger haben sich in energetischer Beziehung elektrolytische Verfahren erwiesen, wobei bei anorganischen (ionenbildenden) Verunreinigungen deren elektrische Leitfähigkeit sowieso ausreicht. Es hat sich jedoch erwiesen, dass auch stark verunreinigte, überwiegend organisch belastete Kommunalabwässer eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zur Anwendung elektrolytischer Verfahren aufweisen.
- So ist es bekannt, organische Schadstoffe, Schwermetalle und Pharmaka durch eine Kombination eines elektrochemischen AOP-Verfahren, einer oxidativen Reinigung durch ein Eletrolyseverfahren sowie einer Oxidation durch Ozon aus dem Abwasser zu entfernen (
Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 20 2009 012 539 U1 ). Hier erfolgt zumindest partiell die Anwendung von Ozon mit den oben geschilderten ökonomischen Nachteilen. Der Aspekt der Wertstoff-Rückgewinnung findet bei dieser technischen Lösung keine Beachtung. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Mängel des Standes der Technik zu beheben und ein Verfahren sowie eine Einrichtung zu schaffen, welche die Entfernung von Verunreinigungen aus Abwässern mit gutem energetischem Wirkungsgrad zuverlässig garantiert, wodurch das gereinigte Wasser als Direkteinleiter eingespeist werden kann oder in speziellen Fällen einem weiteren Reinigungsprozess zugeführt werden kann. Ein weiterer Aspekt dieser Aufgabe ist die Rückgewinnung von Rohstoffen aus landwirtschaftlichen und kommunalen Abwässern bzw. solchen aus Biogasanlagen.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der angefügten Patentansprüche gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung zur Abwasserbehandlung dienen insbesondere zur Entfernung von organischen Schadstoffen, Suspensionstrennung, Entfernung der biologischen Kontamination sowie von Schwer- und Buntmetallen im Abwasser, wobei erfindungsgemäß ein Modul zur Durchführung eines hinfort als AEOP-Verfahren (advanced electrochemical oxidation process) bezeichneten Verfahrens eingesetzt wird.
- Dabei wird ein Anodenkäfig aus den Materialien Platin, Titan, Niob, Palladium, Ruthenium oder platiniertem Titan verwendet. Dieser Anodenkäfig ist formstabil und vorzugsweise aus Streckmetall hergestellt. In diesen Anodenkäfig wir dann das zu opfernde Metall gegeben. Daher bezeichnet man es als Opferanode. Da dieser Anodenkäfig auch mit Metallen gemischt befüllt werden kann, erfüllt dieser auch die Funktion einer Mischelektrode, die es in dieser Form noch nicht gibt. In diese Mischelektrode können auch Metalle wie Magnesium und Calcium gegeben werde. Dabei kommt es zur Eliminierung von Ammonium und Phosphat im Abwasser. Die Entfernung erfolgt in diesem Falle als Magnesiumammoniumphosphat (Struvit). Bei Verwendung von Iridiumoxid bzw. Tantaloxid oder deren Mischungen erfolgt eine Desinfektion von Wasser bei einen Kochsalzgehalt von > 0,2 Masse-% durch naszierendes Chor.
- Als zu opferndes Material wird erfindungsgemäß Eisen, Aluminium, Kohlenstoff, Magnesium und Calcium verwendet. Diese Materialien können auch gemischt in den Anodenkäfig gegeben werden.
- Das oben geschilderte Verfahren kann auch mit Membrantechnologien kombiniert werden. Dies hat den Vorteil, dass das Biofouling vermieden werden kann.
- Erfindungsgemäß erfolgt die Abwasserbehandlung zur Entfernung von partikulären Schadstoffen (z. B. Suspensionstrennung), organischen Inhaltsstoffen, Schwermetallen bzw. giftigen Metallen im Allgemeinen sowie von Pharmaka. Dieses Reinigungsverfahren wird bevorzugt in Form der oxidativen Fällung unter Verwendung von Eisen, Aluminium; Calcium bzw. Magnesium angewendet. Dabei kann es für viele Anwendungsfälle, wie Öle und Fette, kleine und feinste Schmutzpartikel, Schwer- und giftige Metalle eingesetzt werden. Dadurch können die Gehalte an Schwermetallen bis zur Nachweisgrenze und die organische Belastung um bis zu 75% gesenkt werden.
- Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung wird durch die Kombination des AEOP-Verfahrens mit wenigstens einer weiteren bekannten Verfahren einer hervorragenden Qualität de gereinigten Abwassers gewährleistet.
- Die verwendeten Stromdichten liegen dabei über 50 mA/cm2. Optimal werden Stromdichten von 80–120 mA/cm2 verwendet. Die Spannung kann dabei zwischen 2–12 Volt betragen. Das Verfahren wird erfindungsgemäß bei einem pH-Wert von 5–9 durchgeführt.
- Die Erfindung wird nachfolgend wird an Hand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 : ein Verfahrensschema -
2 : einen AEOP-Reaktor -
3 : einen Anodenkäfig in Seitenansicht - Das Verfahrensschema gemäß
1 zeigt einen AEOP-Fällungsreaktor1 gefolgt von einer Filtereinheit2 , wobei es sich um eine Kammerfilterpresse oder um ein automatisches Filter handeln kann. -
2 zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen AEOP-Reaktors1 . Er hat allgemein die Form eines an beiden Enden durch Verschlussdeckel7 geschlossenen Rohres3 , welches, den hier nur angedeuteten, jedoch in3 detailliert dargestellten Anodenkäfig4 aufnimmt. Es kann auch jede andere geometrische Form für den AEOP-Reaktor gewählt werden. Bei einem Zufluss5 wird das zu reinigende Abwasser eingeleitet und bei einem Abfluss6 das behandelte Abwasser entnommen. Das Rohr3 liegt in seiner Gesamtheit mit Ausnahme der stirnseitigen Verschlussdeckel7 auf Kathodenpotential, das am Kathodenanschluß8 angeschlossen ist. Daher ist durch nicht dargestellte isolierende Abstandshalter dafür Sorge zu tragen, dass kein metalischer Kontakt zwischen dem Rohr3 und dem Anodenkäfig4 im Inneren des Rohres3 auftritt, so dass das dazwischen strömende Abwasser der erfindungswesentlichen elektrolytischen Behandlung unterworfen wird. -
3 zeigt den formstabilen Anodenkäfig4 in Seitenansicht. Dabei kann auch jede beliebige, jedoch an die Form des Reaktorbehälters angepasste geometrische Form gewählt werden. Das verwendete Streckmetall besteht dabei, wie oben beschrieben, aus Platin, Titan, Niob, Palladium, Ruthenium oder platiniertem Titan. Im Inneren des Anodenkäfigs4 befindet sich das hier nicht gesondert hervorgehobene, oben detailliert beschriebene, erfindungswesentliche Opfermaterial. - In der nachfolgend angefügten Tabelle ist die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Versuchsmeßwerte belegt, wobei sich eine direkte Abhängigkeit des Reinigungseffektes von der Stromdichte ergibt was auch plausibel ist. Gleichfalls plausibel ist, dass der Reinigungseffekt auch direkt von der Behandlungsdauer abhängt, sich also im Falle des Durchlauf-AEOP-Reaktors umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit verhält. Überraschend wurde nun erfindungsgemäß gefunden, dass eine bevorzugte Steuerung auf vergleichbare endliche Werte des Reinigungseffektes über die Behandlungsdauer hinsichtlich des Gesamt-Energieaufwandes günstiger ist als eine bevorzugte Steuerung über die Stromdichte. 1. Organisch belastetes Abwasser (kommunales Abwasser)
CSB Anfangswert CSB Endwert Behandlungsdauer Stromdichte 820 mg/l 155 mg/l 10 sec 40 mA/cm2 820 mg/l 125 mg/l 10 sec 60 mA/cm2 820 mg/l 95 mg/l 10 sec 80 mA/cm2 820 mg/l 75 mg/l 10 sec 100 mA/cm2 CSB Anfangswert CSB Endwert Behandlungsdauer Stromdichte 2220 mg/l 1430 mg/l 10 sec 40 mA/cm2 2220 mg/l 1280 mg/l 10 sec 60 mA/cm2 2220 mg/l 1050 mg/l 10 sec 80 mA/cm2 2220 mg/l 890 mg/l 10 sec 100 mA/cm2 Pb Anfangswert Pb Endwert Behandl.-dauer Stromdichte 15.2 mg/l 0.06 mg/l 10 sec 40 mA/cm2 15.2 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 60 mA/cm2 15.2 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 80 mA/cm2 15.2 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 100 mA/cm2 As Anfangswert As Endwert Behandl.-dauer Stromdichte 0.2 mg/l 0.01 mg/l 10 sec 40 mA/cm2 0.2 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 60 mA/cm2 0.2 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 80 mA/cm2 0.2 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 100 mA/cm2 Ni Anfangswert Ni Endwert Behandl.-dauer Stromdichte 2.0 mg/l 0.02 mg/l 10 sec 40 mA/cm2 2.0 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 60 mA/cm2 2.0 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 80 mA/cm2 2.0 mg/l < Nachweisgrenze 10 sec 100 mA/cm2 - Bezugszeichenliste
-
- 1
- AEOP-Fällungsreaktor
- 2
- Filtereinheit
- 3
- Rohr
- 4
- Anodenkäfig
- 5
- Zufluß
- 6
- Abfluss
- 7
- Verschlussdeckel
- 8
- Kathodenanschluß
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202009012539 U1 [0004]
Claims (10)
- Verfahren zur Abwasserbehandlung, insbesondere zur Entfernung von Schwermetallen, organischen Schadstoffen und Pharmaka aus Abwasser, gekennzeichnet durch eine elektrolytische Behandlung des Abwassers unter Verwendung einer Anode, welche sowohl der Elektrolyse widerstehende Materialien als auch bei der Elektrolyse in Lösung gehende, sogenannte Opfermaterialien enthält, die beide gleichzeitig dem Abwasser ausgesetzt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrolytische Behandlung in einem pH-Wert-Bereich des Abwassers von 5 bis 9 bei einer Spannung kleiner als 12 V erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem über 0,2 Masse-% eingestellten Kochsalzgehalt des Abwassers zugleich eine Desinfektion desselben durch naszierendes Chlor vorgenommen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere zur Behandlung von Abwässern mit hohen Gehalten an organischen Schadstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass im Kennlinienfeld der relativen Änderung des CSB-Wertes als Funktion der Behandlungsdauer und der Stromdichte zu Beginn und/oder im Verlauf der Behandlung eine Übergewichtung der Behandlungsdauer eingestellt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Membrantechniken wie Mikrofiltration, Ultrafiltration oder Nanofiltration kombiniert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer UV-Abwasserbehandlung unter Ausnutzung der Fenton-Reaktion kombiniert wird.
- Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der der Elektrolyse widerstehende Teil der Anode ein formstabiler Anodenkäfig (
4 ) aus Platin, Titan, Niob, Palladium, Ruthenium oder platiniertem Titan ist. - Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkäfig (
4 ) aus Streckmetall besteht. - Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkäfig (
4 ) mit Aluminium, Eisen, Magnesium, Calcium oder im Falle einer Mischanode mit Gemischen dieser Metalle als Opfermaterial bestückt ist. - Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkäfig (
4 ) weiterhin Kohlenstoffteilchen als elektrisch leitfähige Phase enthält.
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