Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Fällung und Flockung Übung zur Vorlesung Verfahrenstechnik der Abwasserreinigung Betül Morcali 29.01.2016
Agenda Auffrischung Definition Fällung und Flockung Metallfällung Entfernung von Metallen Einflussfaktoren auf die Metallfällung Verwendete Fällmittel Fällung von Phosphaten Entfernung von Phosphaten Verwendete Fällmittel Berechnungsbeispiel Fällmittelbedarf Verfahrensvarianten zur Phosphatfällung Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 2
Fällung Überführung von gelösten Ionen in feste Phase: Phasenübergang flüssig fest chemischer Prozess Gelöste, zu fällende Stoffe reagieren mit einem Fällmittel zu schwer löslichen Verbindungen und fallen als Partikel aus Partikel schweben (in Abhängigkeit von Dichte und Auftrieb) im Wasser Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 3
Flockung Zusammenballung kleiner Feststoffteilchen (z.b. aus Fällung) zu gut absetzbaren größeren Flocken Auch Koagulation genannt Kein Phasenübergang! physikalischer Prozess vom Schweben zum Absetzen (somit einfache Abtrennung möglich) Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 4
Worin liegt der Unterschied zwischen Fällung und Flockung? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 5
Möglichkeiten der Ausfällung Temperaturänderung (z.b. Einfrieren) Verdampfen des Lösungsmittels (meist Wasser) Veränderung des ph-wertes Herbeiführen von schwer- oder unlöslichen Bindungen durch Zugabe von Fällmitteln Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 6
Beispiel: Zugabe von Fällmitteln Veranschaulichung des Fällungsprinzips (Bˉ soll gefällt werden; CD sei gut löslich; CB sei schlecht löslich) Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 7
Fällung und Flockung Wozu wird Fällung in der AW-Reinigung angewendet? Entfernung von: Metallen Phosphat biologisch schwer abbaubaren Kohlenstoff-Verbindungen (CSB-Fällung) Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 8
Metallfällung Woher stammen die Metalle im Abwasser? metallverarbeitende Betriebe (Oberflächenbehandlung) Rohre, Oberflächen allgemein (Korrosion, Rost, Cremes) Form: gelöst als positiv geladenes Ion ggf. toxisch (Chrom, Cu): biologiche Reinigung nicht möglich! Fe 3+ Ni 2+ Al 3+ Cr 6+ Zn Pb 3+ Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 9
Metallfällung Entfernung von Metallen: Reaktion mit OH - durch Verschiebung von ph Me 3+ + 3 OH - Me(OH) 3 mit Me 3+ im Wasser gelöstes Metallion OH - Lauge (Hydroxidionen) Me(OH) 3 Metallhydroxid, schwerlöslich Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 10
Metallfällung Mögliche Reaktionen von Eisen mit Abwasser Metallphosphat FePO 4 - - FePO 4 PO 4 3 - FePO Fe 3-4 FePO 4 - Reaktion (2) Fällung PO 4 3 - - PO 4 3 - FePO 4 PO 4 3 - - Flockung Fe 3- Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Fe Fe(OH) 3 H 2 O Fe(OH) 3 Fe(OH) Suspensa Fe(OH) 3 m (OH) n (PO 4 ) p (H 2 O) q + 3 OH - Fe(OH) 3 susp. Feststoffe Fe(OH) 3 H 2 O H 2 O H 2 O Fe(OH) 3 Fe(OH) n Fe(OH) n H 2 O Eisenhydroxid Fällung/ Fällungsflockung Fällungsflockung Eisenhydroxidverbindungen Reaktion (1) - - Suspensa - - Suspensa Suspensa Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 11
Metallfällung Welche Einflussfaktoren gibt es? Fällungs-pH-Wert Fällungsmittel Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 12
Metallfällung Fällungs-pH-Wert: Titrationskurven Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 13
Metallfällung Welche Fällmittel gibt es? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 14
Metallfällung Fällmittel: Natronlauge (NaOH) Kalklauge (Ca(OH) 2 ) Soda (Na 2 CO 3 ) Kostenabnahme Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 15
Metallfällung Soda NaOH Kalk Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 16
Fällung und Flockung Wie sieht eine Anlage zur Fällung und Flockung aus? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 17
Fällung und Flockung Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 18
Fällung von Phosphat Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 19
Fällung von Phosphaten Woher stammt P im Abwasser? Waschmittel (ca.10%), Düngemittel, Küchenabfälle (ca. 20%), Ausscheidung von Menschen und Tieren (ca. 70%) In welcher Form? Phosphat und Polyphosphat (chemisch...) Gefällt werden kann nur PO 4 3- Welche Probleme verursacht P im Gewässer? Eutrophierung im Gewässer Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 20
Fällung von Phosphaten Entfernung von Phosphat: Reaktion durch Zugabe von Metall als Fällmittel PO 3-4 + Me 3+ MePO 4 mit PO 3-4 Phosphation, im Wasser gelöst Me 3+ Metallion, dreiwertig, im Wasser gelöst MePO 4 schwerlösliches Metallphosphat Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 21
Fällung von Phosphaten Welche Einflussfaktoren gibt es? ph-wert Säurekapazität Zunehmende Trübung und zunehmender Gehalt gelöster organischer Stoffe Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 22
Fällung von Phosphaten Welche Fällmittel werden zur P-Fällung eingesetzt? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 23
Fällung von Phosphaten Fällmittel: 3-wertiges Eisen (meist Eisen-III-Chlorid) Aluminiumsulfat Calcium (eher selten, hoher Bedarf; Ablagerungsprobleme) Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 24
Fällung von Phosphaten Mögliche Reaktionen von Eisen mit Abwasser Metallphosphate FePO 4 - - FePO 4 PO 4 3 - FePO Fe 3-4 FePO 4 - Reaktion (2) Fällung PO 4 3 - - PO 4 3 - FePO 4 PO 4 3 - - Flockung Fe 3- Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Fe Fe(OH) 3 H 2 O Fe(OH) 3 Fe(OH) Suspensa Fe(OH) 3 m (OH) n (PO 4 ) p (H 2 O) q + 3 OH - Fe(OH) 3 susp. Feststoffe Fe(OH) 3 H 2 O H 2 O H 2 O Fe(OH) 3 Fe(OH) n Fe(OH) n H 2 O Eisenhydroxid Fällungsflockung Eisenhydroxidverbindungen Reaktion (1) - - Suspensa - - Suspensa Suspensa Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 25
P-Fällung mit dreiwertigem Eisen Fällung mit Eisen(III)chlorid: FeCl 3 6 H 2 O + PO 4 3 - FePO 4 + 3 Cl - + 6 H 2 O Daneben wird auch Eisenhydroxid gebildet: FeCl 3 6 H 2 O + 3 H 2 O Fe(OH) 3 + 3H + + 3Cl - + 6 H 2 O Bei Fällung verbinden sich nicht nur die gewünschten Ionen, sondern auch andere mit hoher Bindungsaffinität, z.b. Metall und OH - Hydroxide Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 26
Fällung von Phosphaten 1 Mol gebildetes Fe(OH) 3 bzw. Al(OH) 3 setzt 3 Mol H + (Säure) frei Dies reagiert mit dem Karbonatpuffer (HCO 3 - ) des Wassers und verbraucht diesen 3 H + + 3 HCO 3-3 CO 2 + H 2 O Wenn im Wasser nicht genügend HCO 3 - vorhanden ist (bzw. alles durch die obige Reaktion verbraucht wird), sinkt der ph-wert. Kalk-Kohlensäuregleichgewicht Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 27
Fällung von Phosphat Welches Fällmittel wird in der Praxis häufig eingesetzt und ist zudem billiger als Fe(III)Chlorid? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 28
Fällung von Phosphat Fällmittel: Grünsalz (Eisen(II)-Sulfat) Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 29
Fällung von Phosphat Aber wie wird aus Eisen(II) Eisen (III), damit die P-Fällung auch funktioniert? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 30
Fällung von Phosphat Aber wie wird aus Eisen(II) Eisen (III), damit die P-Fällung auch funktioniert? Oxidation, d.h. Belüftung Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 31
Fällmittelbedarf und Fällschlammanfall Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 32
Aufgabe 1 Fällmittelbedarf Eine Kläranlage behandelt eine Abwassermenge von 5000 m³/d. Die Zulaufkonzentration von P liegt bei 10,2 mg/l. Laut der Abwasserverordnung ist im Ablauf eine P-Konzentration von 1,0 mg/l einzuhalten. Ermitteln Sie stöchiometrisch den erforderlichen täglichen Fällmittelbedarf von FeCl 2. Berücksichtigen Sie dabei einen Sicherheitsfaktor von 1,5. Gegeben: M (FeCl 2 ) = 127 g/mol M (P) = 31 g/mol Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 33
Aufgabe 2 Fällschlammanfall Bei der P-Fällung ist mit einer Schlammproduktion von 2,5 kg Fällschlamm (Trockensubstanz) pro kg zudosiertem Fe zu rechnen. Ermitteln Sie den täglichen Fällschlammanfall. Gegeben: M (Fe) = 56 g/mol M (FeCl 2 ) = 127 g/mol Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 34
Fällung von Phosphaten Welche Verfahrensvarianten gibt es bei der P-Fällung? Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 35
Fällung von Phosphaten Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 36
Fällung von Phosphaten Vorfällung Simultanfällung Nachfällung Vorteile Nachteile Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 37
Fällung von Phosphaten Vorfällung Simultanfällung Nachfällung Vorteile Erhöhter Wirkungsgrad der Vorklärung Nachteile Kohlenstoff- und Energiequellen fehlen bei der Denitrifikation Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 38
Fällung von Phosphaten Vorfällung Simultanfällung Nachfällung Vorteile Erhöhter Wirkungsgrad der Vorklärung Besseres Absetz- und Eindickverhalten des Belebtschlammes, Einsatz Eisenchlorid begünstigt Faulbehälterbetrieb Nachteile Kohlenstoff- und Energiequellen fehlen bei der Denitrifikation Erhöhung der Schlammproduktion, gr. Belebungsbecken, ggf. Nachreinigung Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 39
Fällung von Phosphaten Vorfällung Simultanfällung Nachfällung Vorteile Erhöhter Wirkungsgrad der Vorklärung Besseres Absetz- und Eindickverhalten des Belebtschlammes, Einsatz Eisenchlorid begünstigt Faulbehälterbetrieb Kristallisationskerne durch den Rücklaufschlamm Nachteile Kohlenstoff- und Energiequellen fehlen bei der Denitrifikation Erhöhung der Schlammproduktion, gr. Belebungsbecken, ggf. Nachreinigung 3 zusätzliche Becken nötig Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 40
Fällung/Flockung/Absetzen nach Zugabe des Fällmittels Nach Absetzen Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 43
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit und aktive Mitarbeit Betül Morcali Fällung und Flockung 29.01.16 Folie 44