A1 Modulbeschreibungen Flotation

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1 A1 Modulbeschreibungen Flotation Martin Kaleß 1 Allgemeine Beschreibung des Verfahrens 1.1 Verfolgte Aufbereitungsziele Das Verfahren der Flotation wird angewendet, um das Aufschwimmen und anschließende Abtrennen von festen und flüssigen ungelösten Stoffen im Abwasser bis an die Wasseroberfläche durch Anlagerung von Gasblasen zu ermöglichen. Das Verfahren der Flotation wird hauptsächlich in der Industrieabwasserbehandlung eingesetzt, um Öl- und fetthaltige sowie Faser- und flockenhaltige Bestandteile aus dem Abwasser zu entfernen. Dabei handelt es sich bei den meisten Anwendungen um die Vorbehandlung von Rohabwasser. 1.2 Anwendung des Verfahrens im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlung Anwendungen in der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland finden sich selten. Die Flotation kann durch den Einsatz von Fäll- und Flockungsmittel unterstützt werden. Die Belüftung eines Sandfangs bewirkt, dass im Abwasser befindliche Öl- und Fettteilchen an den eingetragenen Luftblasen anhaften und somit deren Auftrieb an die Oberfläche verbessert wird. Im nachgeschalteten Fettfang wird die aufschwimmende Schicht abgetrennt. Die Belüftung des Sandfangs erfolgt primär zur Erzeugung einer Walzenbewegung des Abwassers zur Abtrennung von Sand, so dass der konventionelle Betrieb von Sandfängen und Fettabscheidern nicht als Flotationsanlage angesehen wird. Das Verfahren der Flotation kann neben der Feststoffabtrennung im Zulauf zur Kläranlage auch zur Abtrennung von belebtem Schlamm eingesetzt werden. 1.3 Verfahrensschema Ein Eintrag bzw. die Bildung von Gasblasen in den Flotationsreaktor sind für eine Abtrennung von Feststoffen und ungelösten Flüssigkeitstropfen erforderlich. Der Lufteintrag kann durch Einblasen von Luft in den Flotationsbehälter direkt erfolgen. Alternativ wird ein Recylestrom unter einem höheren Druck als im Flotationsbehälter mit Luft beaufschlagt. Bei Druckentspannung im Flotationsbehälter erfolgt die Bildung der Gasblasen. Nach Bildung eines permanenten Kontakts zwischen Gasblase und abzutrennendem Teilchen entsteht eine durch die verringerte Gesamtdichte bedingte Aufwärtsbewegung des Gasblasen/ Teilchenkomplexes, wie in Abbildung 1 ersichtlich wird. An der Reaktoroberfläche können diese Komplexe durch Räumer aus dem Wasser entfernt werden. 309

2 Abbildung 1: Schematische Darstellung der Vorgänge bei der Flotation 1.4 Wichtige Einflussgrößen Die Wirksamkeit des Verfahrens hängt von folgenden Parametern ab: Die Feststoffpartikel bzw. Flüssigkeitstropfen sollten hydrophob sein, Es muss eine Koagulation der emulgierten und suspendierten Flocken vorhanden sein, Flocken sollten kompakt und scherstabil sein. Für den Energiebedarf sind folgende Größen relevant: Lufteintrag bzw. Blasenbildung im Reaktor Betrieb der Räumereinrichtung Für die Jahreskosten sind die Investitionskosten, die Energiekosten für den Lufteintrag und gegebenenfalls Betriebskosten für den Einsatz von Fäll- und Flockungsmitteln zu beachten. 1.5 Kopplung des Verfahrens mit anderen Verfahren Für dieses Verfahren existiert eine Anforderung an die Vorbehandlung: Abscheidung grober Störstoffe durch Rechen Für dieses Verfahren existiert eine Anforderung an die Nachbehandlung: Es herrscht ein mit Sauerstoff angereichertes Wasser im Ablauf der Flotationsstufe vor. Die nachfolgende Stufe sollte daher aerobe Zustände benötigen. 2 Informationen zur Flotation im FuE-Vorhaben E-Klär 2.1 Theoretische Grundlagen Die physikalischen Grundlagen entsprechen im Wesentlichen denen der Sedimentation mit dem Unterschied, dass die Dichte der aufsteigenden Teilchen geringer sein muss, als die Dichte des Wassers. Im Folgenden wird von Feststoffpartikeln ausgegangen, dasselbe gilt für ungelöste Flüssigkeitstropfen. Aus einer Kräftebilanz (s. Abbildung 2) ergibt sich folgende Gleichung für die Sink- /Aufstiegsgeschwindigkeit des Partikels: v s = g 18 v ρ s ρ d² ρ 310

3 Anhang A1 Modulbeschreibungen Flotation F A F G F W Abbildung 2: Kräftegleichgewicht an einem Partikel Eine Verringerung der Dichte des Feststoffteilchens ρ s bewirkt eine Erhöhung der Geschwindigkeit. Um eine Verringerung der Dichte der Feststoffteilchen zu erreichen, können Gasblasen eingesetzt werden, die sich an die Partikel anlagern. Dadurch steigen die Teilchen schneller auf, bzw. es können Teilchen, die eigentlich in Schwebe gehalten würden, an die Wasseroberfläche gebracht werden. Je höher der aus der Gasanhaftung resultierende Dichteunterschied, desto höher ist die Auftriebsgeschwindigkeit. Flotationsverfahren werden nach Art der Eintragung der Luft unterschieden. Mechanische Flotationsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass die Luft auf mechanischem Weg in Wasser dispergiert wird, z.b. durch Tauchbelüfter. Bei der Elektroflotation werden Gasblasen elektrolytisch erzeugt. Bei diesem Verfahren entstehen sehr feine Bläschen. Bei der Entspannungsflotation wird Luft unter Druck in Wasser gelöst (Druckwasser), beim Entspannen auf einen niedrigeren Druck geht die Luft vom gelösten in den gasförmigen Zustand über, wobei feine Gasbläschen freigesetzt werden. Das Verfahren der Entspannungsflotation kann unterteilt werden in das Vollstromverfahren, in das Teilstromverfahren und in das Recycle-Verfahren, siehe Abbildung 3. Entspannungsflotation Vollstromverfahren Niedrige Arbeitsdrücke Δp<3 bar (keine Bildung kleiner Luftblasen) Probleme durch Verstopfung der Begasungsdüsen Teilstromverfahren Δp>3 bar (Bildung kleiner Luftblasen) Probleme durch Verstopfung der Begasungsdüsen Recycle-Verfahren Δp>3 bar Keine Probleme durch Verstopfung der Begasungsdüsen (Luft wird im gereinigten Abwasser gelöst) Qzu Qzu QL QL Qzu Sättigungsbehälter Entspannungsventil Sättigungsbehälter Sättigungsbehälter QL QR QSchl QAb QSchl QAb QSchl QAb Abbildung 3: Unterteilung der Verfahren der Entspannungsflotation 311

4 2.2 Dimensionierung / Bemessungsansatz Aufgrund seiner Vorteile wird im Folgenden die Dimensionierung des Recycle-Verfahrens der Entspannungsflotation vorgestellt. Drei Bemessungsgrößen sind ausschlaggebend: spezifischer Lufteintrag L TS (in L Luft /kg TS oder in g Luft /kg TS ) Oberflächenbeschickung q A,F (m/h) Feststoffflächenbelastung B A (kg TS /(m²h)) Der spezifische Lufteintrag L TS wird als Mindestluftmenge in g oder L angegeben, die erforderlich ist, um ein kg Feststoff zum Aufschwimmen zu bringen. Die Bemessung erfolgt entweder nach der Oberflächenbeschickung, welche sich zu q A,F = Q zu + Q R A berechnet oder nach der Feststoffflächenbelastung, welche wie folgt definiert ist: B A = TS zu Q zu A Das minimal einzustellende Rücklaufverhältnis lässt sich ermitteln durch: Dabei bedeuten die Größen Folgendes: RV F Rücklaufverhältnis [-] L TS spezifischer Lufteintrag [g Luft /kg TS ] TS zu K HL M L η S/E Δp q A,F B A A Q zu L TS TS zu RV F = K HL M L Δp η S/E Feststoffgehalt im Zulauf zur Flotation [kg Feststoff /m³] Henry-Konstante für Luft [mol/(m³bar)] Molare Masse der Luft [g/mol] Wirkungsgrad, Verhältnis zwischen tatsächlicher und theoretisch freiwerdender Luftmenge [-] Druckdifferenz am Entspannungspunkt [bar] Oberflächenbeschickung [m/h] Feststoffflächenbelastung [kg TS /(m²h)] Oberfläche des Flotationsreaktors [m²] Abwasservolumenstrom im Zulauf des Flotationsreaktors [m 3 /h] Laut VDMA sind folgende Richtwerte (Wertespannen) angegeben (VDMA, 2010): Max. hydraulische Flächenbelastung q A,F 8 bis 10 m/h je nach Feststoffen Feststoffflächenbelastung B A zwischen 5 bis ca. 20 kg TS/(m²h) Sättigungsdruck zwischen 3 und 7 bar Für den spezifischen Lufteintrag sollte ein Bereich zwischen 5 und 15 g Luft pro kg Trockensubstanz im Zulauf zur Flotation gewählt werden. 312

5 Anhang A1 Modulbeschreibungen Flotation 2.3 Abbildung der Stoffströme Es wird angenommen, dass gelöste Stoffe durch Flotationsverfahren aus dem Abwasser nicht entfernt werden. Die flotierten Stoffe oder Partikel bilden an der Wasseroberfläche eine Schwimmschicht, die geräumt werden muss. Die Gasblasen bewirken, dass die flotierten Stoffe als Schicht über dem Wasserspiegel verweilen. Die Gasblasen können wegen der Flotationsschicht nicht sofort in die Atmosphäre übergehen. Freies Wasser in der Flotatschicht zwischen den Partikeln kann entweichen. Es können daher höhere Feststoffgehalte als durch Sedimentation erzielt werden. Es wurden 7 % bis 20 % TS im Flotat berichtet (Rüffer & Rosenwinkel, 1991). Hahn (1987) berichtet von einer Reduktion der suspendierten Stoffe bei Zugabe von Fäll- und Flockungsmitteln in Höhe von 70 %, respektive 60 % für den Parameter CSB homogenisiert. Eine weitere Quelle berichtet zur maximalen Elimination des CSB einen Wert von 75 % (Pouet & Grasmick, 1995). Aus Anwendungsfällen der Industrieabwasserbehandlung berichtet Metzner über eine BSB 5 Reduktion zwischen 39,1 % und 97,9 % und als Mittelwert bei 16 Anwendungsfällen 79,4 %. Die Reduktion ungelöster Stoffe beziffert er im Mittelwert auf 90,3 % bei einer Bandbreite von 65,7 % bis 100 % (Metzner, 1975). Krofta et al. (1995) geben Eliminationsleistungen für eine zweistufige Entspannungsflotationsanlage an (Tabelle 1). Die genannten Bandbreiten decken einen weiten Bereich ab, so dass sie für eine modelltechnische Umsetzung lediglich als Richtwerte dienen. Die aufgeführten Wirkungsgrade beziehen sich auf die in der Studie untersuchte zweistufige Flotationsanlage. Einstufige Anlagen werden einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen. Für die modelltechnische Abbildung des Moduls (s. Tabelle 2) sind die Werte aus Tabelle 1 als Extremwerte zu verstehen, die einstufige Anlagen nicht überschreiten. Darüber hinaus wurde in den zitierten Untersuchungsergebnissen die Elimination gelöster Stoffe festgestellt, die gegen die Annahme zu Beginn dieses Unterkapitels spricht. Tabelle 1: Eliminationsleistung einer zweistufigen Entspannungsflotationsanlage (Krofta et al., 1995) Krofta et al. (1995) geben an, dass in der Pilotstudie sowohl die Chemikalien Eisensulfat in Konzentration ppm und Aluminiumchlorid in der Konzentration 100 ppm als auch kationische (3,5 10 ppm) und anionische (0,6 7 ppm) Flockungsmittel zum Einsatz kamen. 313

6 Tabelle 2: Wirkungsgrade für die prozessspezifischen Größen Basisvektor im Zulauf zur Verfahrensstufe [ CSB hom CSB fil CSB inert,fil TKN NH 4 N NO 3 N NO 2 N PO 4 P TS GV E. coli ] Angaben durch Anwender: - η CSB,partikulär Ohne Fällmittel: 60 % (in Anlehnung an VK); Bei Zugabe von Fällmitteln: 70 % im Regelfall (Hahn, 1987) bzw. 99 % bei optimistischem Ansatz (Krofta et al., 1995) - η TKN Konservativer Ansatz in Anlehnung an Vorklärung (DWA, 2011). Bei Flotation mit Fäll- und Flockungsmitteln wird von einer höheren Entfernung der partikulären Stoffe ausgegangen als bei einer VK (s.o.), so dass man 20 % annehmen kann. Im optimistischen Ansatz mit Fäll- und Flockungsmittel kann man nach Krofta et al. (1995) 30 % annehmen. - η TS Ohne Fällmittel: 60 % (in Anlehnung an VK); Bei Zugabe von Fällmitteln: 70 % im Regelfall (Hahn, 1987) bzw. 99 % bei optimistischem Ansatz (Krofta et al., 1995) Wirkungsgrad / Funktionen η = 1 c/c 0 Wenn eine Bandbreite für den Wirkungsgrad angegeben wird, entspricht der untere Wert dem konservativen Ansatz und der obere Wert dem optimistischen Ansatz. Aufgrund der geringen Anzahl an Literaturwerte für die Anwendung einer Flotation für kommunales Abwasser sind die folgenden Werte mit großen Unsicherheiten verbunden. η CSB,partikulär = % η CSB,hom = CSB,partikulär CSB hom,zu CSB fil,zu CSB hom,zu η CSB,fil = 0 % η CSB,inert,fil = 0 % η TKN = 10 30% Aufgrund ungenügender Datengrundlage Schätzung der folgenden gelösten Stickstoffkomponenten wie folgt (Abgleich mit bestehenden Vorklärbeckenmodellen) η NH4-N = 0 % η NO3-N = 0 % η N02-N = 0 % η PO4-P : In Anlehnung an den Wirkungsgrad des partikulären CSB wie folgt: η PO4-P = CSB,partikulär P ges PO 4 -P P ges η TS = % η GV = 0 : Annahme: keine Änderung (ungenügende Information) η E. coli = 44 % (0,25 log-stufen-reduktion nach Rott & Schöler (2001) für eine VK) Es wird zunächst aufgrund mangelnder Information davon ausgegangen, dass keine Spurenstoffelimination in einer Flotationsstufe stattfindet. Q, T und die weiteren, nicht dargestellten Größen bleiben unverändert. Basisvektor im Ablauf [ CSB hom CSB fil CSB inert,fil TKN NH 4 N NO 3 N NO 2 N PO 4 P TS GV E. coli ] 314

7 Anhang A1 Modulbeschreibungen Flotation 2.4 Abschätzung des Energiebedarfs Laut VDMA beträgt die Spanne für den Energiebedarf 0,02 0,2 kwh/m³ behandelten Wassers (VDMA, 2010). Metzner (1975) gibt für Anwendungsfälle der Industrieabwasserbehandlung eine Spanne zwischen 0,11 0,16 kwh/m³ an. Die Datenlage ist ausbaufähig, so dass aufgrund der wenig vorliegenden Daten eine Spannbreite zwischen 0,11 und 0,16 kwh/m³ behandelten Abwassers empfohlen. Es ist eine Verknüpfung zur (vorgegebenen) CSB Elimination vorzusehen, wobei die maximale CSB Elimination mit einem maximalen Energiebedarf und die minimale CSB Elimination mit dem minimalen Energiebedarf einhergehen sollen. Werte zwischen diesen beiden Extrema sollten linear interpoliert werden. 2.5 Abschätzung der Kosten Auf der Kostenebene sind Abschreibungskosten für die Flotationsanlage sowie Energie-, Betriebsmittel- und Personalkosten für den Betrieb zu berücksichtigen. Zur Ermittlung der Energiekosten sollte der spezifische Energiebedarf in der genannten Spannbreite vorgegeben werden und mit der zu behandelnden Abwassermenge sowie dem spezifischen Energiepreis multipliziert werden. 3 Literaturverzeichnis DWA Landesverband Bayern (2011): Leitfaden 2-14 Betrieb von Abwasseranlagen, Die Stickstoffbilanz im kommunalen Abwasser. Hahn, H.H. (1987): Wassertechnologie Fällung, Flockung, Separation, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York Krofta, M.; Miskovic, D.; Burgess, D. (1995): Primary-Secondary Flotation of three municipal wastewaters: pilot-scale study, Water Science and Technology, Vol.31, No.3-4, Metzner, G. (1975): Flotationsverfahren in der Abwasserreinigung. Münchener Beiträge zur Abwasser-, Fischerei-und Flussbiologie, Schriftenreihe 29, Pouet, M.-F.; Grasmick, A. (1995): Urban Wastewater Treatment by Electrocoagulation and Flotation, Water Science and Technology, Vol.31, No. 3-4, Rott, U.; Schöler, A. (2001): Untersuchungen über den Einfluss von suspendierten Stoffen und deren Partikelgrößenverteilung auf die Desinfektionswirkung einer UV-Anlage. Untersuchungsabschlussbericht. Universität Stuttgart, Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft. Rüffer, H.; Rosenwinkel, K.-H. (1991): Taschenbuch der Industrieabwasserreinigung, Chapter Papier- und Zellstofffabriken, Abschnitt 6.1, , Oldenburg Verlag VDMA (2010): VDMA Einheitsblatt Flotationsanlagen, Hinweise für die Planung, Projektierung und Ausführung, Verband deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA) 315

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