Flüchtige organische Säuren. Skript Kapitel 5.5.2, Seite 108

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1 Flüchtige organische Säuren Skript Kapitel 5.5.2, Seite _V1_#1

2 Schlammfaulung allgemein Die Schlammfaulung dient der Stabilisierung von Klärschlämmen Dazu wird eine anaerobe (sauerstofffreie) Atmosphäre benötigt Bei der Schlammfaulung werden bis über 50 % der organischen Bestandteile im Klärschlamm hauptsächlich zu CH 4 (Methan), CO 2 und teilweise zu H 2 S oxidiert Der Restschlamm ist weitgehend geruchlos und lässt sich leicht entwässern Der biologische Prozess der Methangasbildung verläuft grob betrachtet in 4 Teilschritten ab: - Hydrolyse - Versäuerung - Acetogenese (Bildung von Essigsäure) - Methanogenese _V1_#2

3 Prozess der Schlammfaulung Methangasbildung (I) Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiss) 4 Abbauphasen 1. Hydrolyse - Phase Bruchstücke und gelöste Polymere 2. Versäuerungs - Phase H 2 CO 2 Organische Säuren Alkohole 3. Acetogene - Phase Wichtig: Messen der Temperatur und des ph Wertes Vorsicht: Pufferkapazität!! Essigsäure Methan 4. Methanogene - Phase _V1_#3

4 Prozess der Schlammfaulung - Methangasbildung Folgende Parameter können für die Beurteilung der Faulung gemessen werden: - Gehalt an organischen Säuren (Resultatangabe in mg/l Buttersäure oder Essigsäure) - ph- Wert - Temperatur - Glührückstand - Gas: CH 4 optional auch CO _V1_#5

5 Organische Säuren im Faulschlamm Beispiele von organischen Säuren Essigsäure Propionsäure Buttersäure M: g/mol M: g/mol M: g/mol stark stechend nach Essig stechend, nach ranzigem Käse stark nach Erbrochenem _V1_#6

6 Gehalt an organischen Säuren im Faulschlamm Der Gehalt an flüchtigen organischen Säuren ist ein typischer und aussagekräftiger Parameter für den intakten anaeroben Abbau Beispiel Bewertung (bezogen auf Buttersäure) Wichtig: dies sind nur Richtangaben und können je nach Analysenverfahren abweichen. unter 500 mg/l: Faulprozess im Gleichgewicht mg/l: Prozess in einem kritischen Stadium über 1000 mg/l: unerwünschte saure Wasserstoffgärung _V1_#7

7 Übersicht Analysenmethoden Für die Bestimmung der organischen Säuren existieren verschiedene Methoden: a. ) Abtrennung der organischen Säuren durch Wasserdampfdestillation und anschliessende Titration mit Natronlauge Resultatangabe in mg/l Buttersäure b.) Veresterung des Faulwassers mit anschliessender fotometrischer Bestimmung (Küvettentest) Resultatangabe in mg/l Essigsäure oder Butteräure (Einstellungen Fotometer!!) c.) Bestimmung nach Nordmann: Direkte Titration des Faulwassers mit Schwefelsäure auf bestimmte ph-endpunkte Resultatangabe in mg/l Essigsäure d.) Chromatographische Einzelstoffbestimmung Resultatangabe in mg/l je gemessene Säure _V1_#8

8 Fotometrische Bestimmung der organische Säuren Filtration der Schlammprobe Reaktion der Säuren mit Alkohol (bei 100 C; Veresterung) Reduktion der gebildeten Ester mit Eisen(III)-Salzen Fotometrische Messung der rotgefärbten Eisenkomplexe Resultatangabe in mg/l Essigsäure oder Buttersäure _V1_#9

9 Titration der organischen Säuren nach Nordmann Diese Methode erfordert keine vorgängigen Aufbereitungsschritte Der Vorteil des Analysenverfahrens ist, dass neben des Gehalts an organischen Säuren, auch die Kalkreserve bestimmt werden kann Vorgehen bei der Analyse: vgl. Vorführung Fredi _V1_#10

10 Kalkreserve Der Faulschlamm hat ein gewisses Säurebindungsvermögen / Pufferkapazität, die sogenannte Kalkreserve Die Kalkreserve wird durch die Konzentration an Ammonium- (aus den Eiweissen) und Hydrogencarbonationen bestimmt. Der ph Wert sinkt daher bei steigender Konzentration der organischen Säuren verzögert ab (Pufferwirkung) Deshalb reicht es nicht aus, nur den ph Wert im Faulraum zu messen Durch die regelmässige Bestimmung der organischen Säuren im Labor kann der Fortschritt des anaeroben Abbauprozesses kontrolliert werden _V1_#11

11 Direkte Titration der organischen Säuren im Faulwasser Bestimmung nach Nordmann Kalkreserve organische Säuren ph ~7 ph 5.0 ph 4.4 Direkte Titration an 0.05 mol/l (0.1 N) Schwefelsäure [ml] Verbrauch A [ml] Verbrauch B [ml] Berechnung Kalkreserve: Verbrauch A x 250 mg Calciumcarbonat (CaCO 3 ) pro Liter Berechnung organische Säuren in mg pro Liter ((Verbrauch B x 1.66) 0.15) x 500 Beispiel: Verbrauch A = 10.8 ml 10.8 x 250 = 2`700 mg/l CaCO 3 Verbrauch B = 0.4 ml ((0.4 ml x 1.66) 0.15) x 500 = 257 mg/l Essigsäure _V1_#12

12 Übungen 1. Wo entstehen organische Säuren? Nenne 2 Beispiele von organischen Säuren 2. Weshalb kann der Verlauf des Faulprozesses nicht nur anhand des ph- Wertes im Faulturm beurteilt werden? 3. Nenne 2 Analysenmethoden für die Bestimmung von organischen Säuren _V1_#13

13 Lösungen zu den Übungen 1. Organische Säuren entstehen bei Sauerstoffmangel oder bei anaeroben Abbauprozessen von organischem Material. Die organischen Säuren sind Zwischenprodukte bei der Methangasbildung. Essigsäure; Buttersäure Organische Säuren 2. Wegen der Säurebindungskapazität im Schlamm, der sogenannten Kalkreserve. 3. Titration nach Nordmann Gleichzeitig Bestimmung Kalkreserve und Gehalt an organischen Säuren angegeben in mg/l Essigsäure. Fotometrische Bestimmung Resultatangabe in mg/l Essig- oder Buttersäure _V1_#14