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? Fe3+ Ni2+ •metallverarbeitende Betriebe (Oberflächenbehandlung) •Rohre, Oberflächen allgemein (Korrosion, Rost, Cremes) Al3+ Cr6+ Form: gelöst als positiv geladenes Ion ggf. toxisch (Chrom, Cu): biologiche Reinigung nicht möglich! Zn Pb3+ Betül Morcali | Fällung und Flockung | 29.01.16 | Folie 9 Metallfällung Entfernung von Metallen: Reaktion mit OH- durch Verschiebung von pH Me3+ + 3 OH- Me(OH)3 mit Me3+ OH- im Wasser gelöstes Metallion 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 - FePO4 PO43 FePO4 FePO4 Fällung Reaktion (2) FePO4 PO43- FePO4 PO43- PO43- Fällung/ FällungsFällungsflockung flockung Fe3- - Fe(OH)3 H2O Fe(OH)3 H2O H2O H2O Fe3- - OH Fe(OH)3 H2O Fe(OH)3 Fem(OH)n(PO4)p(H2O)q+ susp. Feststoffe Fe(OH)3 Suspensa Fe(OH)3 Fe(OH)3 Fe(OH)3 H2O H2O H2O Fe(OH)3 Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Flockung Eisenhydroxid H2O Eisenhydroxidverbindungen Fe(OH)n3n Reaktion (1) Suspensa Fe(OH)n3n - Fe(OH)n3n - Fe(OH)n3n Suspensa - Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Suspensa Fe(OH) 3n n Fe(OH)n3n Fe(OH) 3n n 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 (Na2CO3) 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 PO43- 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 PO43- + Me3+ MePO4 mit PO43Me3+ MePO4 Phosphation, im Wasser gelöst Metallion, dreiwertig, im Wasser gelöst 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 - FePO4 PO43 FePO4 FePO4 Fällung Fe3- Reaktion (2) FePO4 PO43- FePO4 PO43- PO43- - Fe(OH)3 H2O Fällungsflockung Fe(OH)3 H2O H2O H2O Fe3- - OH Fe(OH)3 H2O Fe(OH)3 Fem(OH)n(PO4)p(H2O)q+ susp. Feststoffe Fe(OH)3 Suspensa Fe(OH)3 Fe(OH)3 Fe(OH)3 H2O H2O H2O Fe(OH)3 Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Flockung Eisenhydroxid H2O Eisenhydroxidverbindungen Fe(OH)n3n Reaktion (1) Suspensa Fe(OH)n3n - Fe(OH) Fe(OH)n3n 3n n - Suspensa - Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Suspensa Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Fe(OH)n3n Betül Morcali | Fällung und Flockung | 29.01.16 | Folie 25 P-Fällung mit dreiwertigem Eisen Fällung mit Eisen(III)chlorid: FeCl3 · 6 H2O + PO43- FePO4 + 3 Cl- + 6 H2O Daneben wird auch Eisenhydroxid gebildet: FeCl3 · 6 H2O + 3 H2O Fe(OH)3 + 3H+ + 3Cl- + 6 H2O 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 (HCO3-) des Wassers und verbraucht diesen 3 H+ + 3 HCO3- 3 CO2 + H2O Wenn im Wasser nicht genügend HCO3- 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 FeCl2. Berücksichtigen Sie dabei einen Sicherheitsfaktor von 1,5. Gegeben: M (FeCl2) = 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 (FeCl2) = 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 Vorteile Vorfällung Simultanfällung Nachfällung Betül Morcali | Fällung und Flockung | 29.01.16 | Folie 37 Nachteile Fällung von Phosphaten Vorfällung Vorteile Nachteile Erhöhter Wirkungsgrad der Vorklärung Kohlenstoff- und Energiequellen fehlen bei der Denitrifikation Simultanfällung Nachfällung Betül Morcali | Fällung und Flockung | 29.01.16 | Folie 38 Fällung von Phosphaten Vorteile Nachteile Vorfällung Erhöhter Wirkungsgrad der Vorklärung Kohlenstoff- und Energiequellen fehlen bei der Denitrifikation Simultanfällung Besseres Absetz- und Eindickverhalten des Belebtschlammes, Einsatz Eisenchlorid begünstigt Faulbehälterbetrieb Erhöhung der Schlammproduktion, gr. Belebungsbecken, ggf. Nachreinigung Nachfällung Betül Morcali | Fällung und Flockung | 29.01.16 | Folie 39 Fällung von Phosphaten Vorteile Nachteile Vorfällung Erhöhter Wirkungsgrad der Vorklärung Kohlenstoff- und Energiequellen fehlen bei der Denitrifikation Simultanfällung Besseres Absetz- und Eindickverhalten des Belebtschlammes, Einsatz Eisenchlorid begünstigt Faulbehälterbetrieb Erhöhung der Schlammproduktion, gr. Belebungsbecken, ggf. Nachreinigung Nachfällung Kristallisationskerne durch den Rücklaufschlamm 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
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