Phosphorrückgewinnung in der Abwassertechnik: Neue Verfahren für Klärschlamm und Klärschlammaschen
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Darmstadt
Inst. IWAR der TU
2012
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| Schriftenreihe: | Schriftenreihe IWAR
220 |
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INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS I
VERZEICHNIS DER GROESSEN UND INDIZES VII
ABBILDUNGSVERZEICHNIS IX
TABELLENVERZEICHNIS XIN
0 EINLEITUNG, VERANLASSUNG UND ZIELE 1
0.1 VERANLASSUNG UND ZIELSETZUNG 1
0.2 AUFBAU DER ARBEIT 3
1 PHOSPHOR IN DER NATUR UND ANTHROPOGENE NUTZUNG 5
1.1 BEDEUTUNG VON PHOSPHOR FUER DAS LEBEN 5
1.2 NUTZUNG VON PHOSPHOR DURCH DEN MENSCHEN 6
1.3 DER GLOBALE BIOGEOCHEMISCHE PHOSPHORKREISLAUF 7
1.3.1 VORHUMANER BIOGEOCHEMISCHER PHOSPHATKREISLAUF 7
1.3.1.1 UEBERGANG VON PHOSPHAT AUS DER LITHOSPHAERE IN DIE PEDOSPHAERE....
9
1.3.1.2 UEBERGANG VON PHOSPHAT VOM TERRESTRISCHEN SYSTEM IN DIE
HYDROSPHAERE 10
1.3.1.3 SEQUESTRIERUNG VON PHOSPHAT IN DEN WELTMEEREN 10
1.4 ANTHROPOGEN VERAENDERTE GLOBALE PHOSPHATSTROEME 12
1.4.1 VERSTAERKTE EROSION, OBERFLAECHENABFLUSS UND AUSLAUGUNG 12
1.4.2 NUTZUNG VON PHOSPHOR ALS ANORGANISCHER DUENGER 13
1.4.2.1 PHOSPHATDUENGER ALS GRUNDLAGE DES BEVOELKERUNGSWACHSTUMS 13
1.4.2.2 ZUKUENFTIGER BEDARF AN PHOSPHATDUENGER 16
1.4.3 REGIONALE UND GLOBALE UNGLEICHGEWICHTE DER PHOSPHATSTROEME 19
1.4.4 EFFIZIENZ DER PHOSPHATNUTZUNG 22
1.4.5 PHOSPHADAGERSTAETTEN UND DEREN REICHWEITE 23
2 PHOSPHAT IN DER ABWASSERREINIGUNG 2 9
2.1 ABWASSER ALS SEKUNDAERROHSTOFFRESSOURCE FUER PHOSPHAT 29
2.2 PHOSPHATELIMINATION BEI DER ABWASSERREINIGUNG 30
2.2.1 CHEMISCHE PHOSPHATELIMINATION 33
2.2.2 ERWEITERTE BIOLOGISCHE PHOSPHATELIMINATION 34
2.3 VERHALTEN VON PHOSPHAT IN DER KLAERSCHLAMMBEHANDLUNG 35
2.3.1 MECHANISMEN DER PHOSPHATFREISETZUNG BEI DER ANAEROBEN
KLAERSCHLAMMSTABILISIERUNG 36
INHALTSVERZEICHNIS I
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IMAGE 2
2.3.1.1 FREISETZUNG VON PHYSIOLOGISCH GEBUNDENEM PHOSPHAT AUS
UEBERSCHUSSSCHLAMM UND ORGANISCH GEBUNDENEM PHOSPHAT AUS PRIMAERSCHLAMM 36
2.3.1.2 FREISETZUNG VON CHEMISCH GEFAELLTEM PHOSPHAT 3 7
2.3.1.3 PHOSPHATFREISETZUNG BEI DER ERWEITERTEN BIOLOGISCHEN
PHOSPHATELIMINATION 38
2.3.2 MECHANISMEN DER PHOSPHATFIXIERUNG BEI DER ANAEROBEN
KLAERSCHLAMMSTABILISIERUNG 40
2.3.2.1 FIXIERUNG VON PHOSPHAT ALS MAP 40
2.3.2.2 FIXIERUNG VON PHOSPHAT ALS EISENPHOSPHAT 40
2.3.2.3 FIXIERUNG VON PHOSPHAT ALS CALCIUMPHOSPHAT 4 1
2.3.2.4 FIXIERUNG VON PHOSPHAT DURCH ADSORPTION 42
2.3.2.5 FIXIERUNG VON PHOSPHAT DURCH WASCHMITTEL ZEOLITH A 42
2.3.2.6 QUANTITATIVE BESCHREIBUNG DER PHOSPHATFIXIERUNG IN DER FAULUNG47
2.3.2.7 ZUSAMMENFASSUNG.: 49
2.3.3 VERBRENNUNG VON KLAERSCHLAMM UND WEITERER VERBLEIB VON PHOSPHAT 50
3 PHOSPHATRUECKGEWINNUNGSVERFAHREN IN DER
ABWASSERREINIGUNG 53
3.1 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG AUS DER WAESSRIGEN PHASE (ABWASSER)... 53 3.1.1
PHOSPHATRUECKGEWINNUNG IM HAUPTSTROM 53
3.1.2 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG IM SCHLAMMWASSER ALS MAP UND CALCIUMPHOSPHAT
54
3.1.3 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG ALS MAP IM FAULSCHLAMM 55
3.1.4 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG MIT CALCIUMSILIKATHYDRAT (CSH) 56
3.1.4.1 HERSTELLUNG UND EIGENSCHAFTEN VON CALCIUMSILIKATHYDRAT 56
3.1.4.2 PHOSPHATBINDUNG AN CALCIUMSILIKATHYDRAT 57
3.2 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG AUS KLAERSCHLAMM 57
3.2.1 NASSCHEMISCHE PHOSPHATRUECKGEWINNUNG AUS KLAERSCHLAMM 58
3.2.1.1 STUTTGARTER VERFAHREN AUF DER ABA OFFENBURG-GRIESHEIM 61
3.2.1.2 SEABORNE-VERFAHREN AUF DER ABA GIFHORN 6 1
3.2.1.3 BASISCHE RUECKLOESUNG VON PHOSPHAT AUS KLAERSCHLAMM 62
3.2.2 THERMISCHE VERFAHREN: SCHMELZVERGASUNG VON KLAERSCHLAEMMEN MIT DEM
MEPHREC-VERFAHREN 63
3.3 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG AUS KLAERSCHLAMMASCHEN 64
II INHALTSVERZEICHNIS
IMAGE 3
3.3.1 DIREKTE PHOSPHORRUECKGEWINNUNG IN DER ELEKTROTHERMISCHEN
PHOSPHORINDUSTRIE 64
3.3.2 NASSCHEMISCHE PHOSPHATRUECKGEWINNUNG MIT SAURER RUECKLOESUNG 66
3.3.2.1 SAURE RUECKLOESUNG VON P UND METALLEN AUS KLAERSCHLAMMASCHEN.. 66
3.3.2.2 FAELLUNGSVERFAHREN 68
3.3.2.3 FLUESSIG-FLUESSIG-EXTRAKTION 69
3.3.2.4 EINSATZ VON IONENTAUSCHERN 70
3.3.2.5 ABTRENNUNG DER KATIONEN DURCH NANOFILTRATION 72
3.3.2.6 ZUSAMMENFASSUNG 72
3.3.3 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG DURCH EINE DIREKTE BASISCHE ELUTION VON
KLAERSCHLAMMASCHEN 72
3.3.4 THERMISCHE PHOSPHATRUECKGEWINNUNG (ASH-DEC-VERFAHREN) 73
3.4 DIREKTE VERWERTUNG VON KLAERSCHLAMMASCHEN ALS AUSGANGSSTOFF FUER
DUENGEMITTEL 74
3.5 ZUSAMMENFASSUNG PHOSPHATRUECKGEWINNUNGSVERFAHREN 74
4 MATERIAL UND METHODEN 77
4.1 UNTERSUCHUNGEN ZUR PHOSPHATUMLAGERUNG UND -BINDUNG (KAPITEL 5) 77
4.1.1 VERSUCHSZIELE UND DURCHFUEHRUNG 77
4.1.2 VERSUCHSPROGRAMM UND VERWENDETE REAKTOREN 77
4.1.3 ANALYTISCHE METHODEN 78
4.1.3.1 IM SCHLAMMWASSER GELOESTE BESTANDTEILE 78
4.1.3.2 PH-WERT 79
4.1.3.3 KLAERSCHLAMMPARAMETER 79
4.1.3.4 GESAMTZUSAMMENSETZUNGEN 79
4.1.3.5 XRD-ANALYSEN AN FAULSCHLAMMPROBEN 79
4.1.3.6 SEQUENTIELLE VERDUENNUNG 80
4.1.3.7 PH-WERT-ABSENKUNG 80
4.1.3.8 UMLAGERUNGSVERSUCHE MIT C A ^ ZEOLITH A 80
4.1.4 VERSUCHE ZUR PHOSPHATBINDUNG AUF ZEOLITH A IN SCHLAMMWASSER 8 1
4.2 UNTERSUCHUNGEN ZUM FIX-PHOS-VERFAHREN (KAPITEL 6) 82
4.2.1 VERSUCHSZIELE UND DURCHFUEHRUNG 82
4.2.2 LABORREAKTOREN 83
INHALTSVERZEICHNIS III
IMAGE 4
4.3 UNTERSUCHUNGEN ZUM SESAL-PHOS-VERFAHREN (KAPITEL 7) 84
4.3.1 VERSUCHSZIELE UND DURCHFUEHRUNG 84
4.3.2 ELUTIONSVERSUCHE MIT KLAERSCHLAMMASCHEN 85
4.3.3 BESTIMMUNG DER GESAMTZUSAMMENSETZUNG DER AUSGANGSKLAERSCHLAMMASCHEN
UND ELUIERTEN KLAERSCHLAMMASCHEN 85
4.3.4 XRD-ANALYSEN AN AUSGANGSKLAERSCHLAMMASCHEN UND ELUIERTEN
KLAERSCHLAMMASCHEN 8 5
4.3.5 HERSTELLUNG VON RUECKGEWINNUNGSPRODUKTEN 86
4.4 UNTERSUCHUNGEN ZUR DIREKTEN VERWENDUNG VON KLAERSCHLAMMASCHEN ALS
DUENGER (KAPITEL 8) 86
4.4.1 VERSUCHSZIELE UND DURCHFUEHRUNG 86
5 UNTERSUCHUNGEN ZUR PHOSPHATUMLAGERUNG UND -BINDUNG BEI DER ANAEROBEN
KLAERSCHLAMMSTABILISIERUNG 8 9
5.1 XRD-UNTERSUCHUNGEN VON FAULSCHLAEMMEN 90
5.2 SEQUENTIELLE VERDUENNUNGSVERSUCHE 91
5.3 UNTERSUCHUNG ZUR PHOSPHATRUECKLOESUNG IN ABHAENGIGKEIT VOM PHWERT 98
5.4 UMLAGERUNGSVERSUCHE MIT ZEOLITH A UND CALCIUMPHOSPHATEN... 103 5.5
BETEILIGUNG VON ZEOLITHEN AN DER PHOSPHATBINDUNG IN DER FAULUNG 106 5.6
ABSCHAETZUNG DER PHOSPHATBINDUNG IM FAULSCHLAMM 114
5.7 ZUSAMMENFASSUNG 117
6 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG AUS KLAERSCHLAMM
- DAS FIX-PHOS-VERFAHREN 121
6.1 AUSGANGSPUNKT UND ABLAUF DER UNTERSUCHUNG 121
6.2 VORVERSUCHE: PHOSPHATBINDUNG AN CSH IM FAULSCHLAMM 122
6.3 KONTINUIERLICHE FAULVERSUCHE UNTER ZUGABE VON CSH BEI VERWENDUNG VON
EISENHALTIGEM UEBERSCHUSSSCHLAMM 123 6.3.1 VERSUCHSDURCHFUEHRUNG 124
6.3.2 ERGEBNISSE 125
6.3.2.1 ZUSAMMENSETZUNG DES ABGETRENNTEN KRISTALLISATIONSPRODUKTS... 129
6.3.2.2 MIT DEM PRODUKT ABGETRENNTE MENGE AN PHOSPHAT 130
6.3.3 ZUSAMMENFASSUNG DER ERSTEN KONTINUIERLICHEN VERSUCHSREIHE 131
6.4 KONTINUIERLICHE FAULVERSUCHE UNTER ZUGABE VON CSH ZU
BIO-PUEBERSCHUSSSCHLAMM 132
6.4.1 ERGEBNISSE 134
6.4.1.1 UNTERSUCHUNG DES ABGETRENNTEN PRODUKTES 137
IV INHALTSVERZEICHNIS
IMAGE 5
6.4.1.2 MIT DEM PRODUKT ABGETRENNTE MENGE AN PHOSPHAT 139
6.4.1.3 VERBLEIB DES MIT DEM CSH ZUGEFUEHRTEN CALCIUMS 141
6.4.1.4 EINFLUSS VON CSH AUF DIE PHOSPHATBINDUNG IN DEN FAULSCHLAEMMEN
143
6.4.1.5 EINFLUSS DER KORNGROESSE DES CSH UND DER RUEHRGESCHWINDIGKEIT 145
6.5 ZUGABE VON CSH ZU VERSAEUERTEM UEBERSCHUSSSCHLAMM 145
6.5.1 ZUSAMMENFASSUNG ZUGABE VON CSH ZU BIO-P- UEBERSCHUSSSCHLAMM 148
6.6 BEHANDLUNG VON UEBERSCHUSSSCHLAMM UND PRIMAERSCHLAMM - MIT UND OHNE
SEPARATER VORBEHANDLUNG DES UEBERSCHUSSSCHLAMMES 148 6.6.1 DURCHGEFUEHRTE
VERSUCHE 148
6.6.2 ERGEBNISSE: DIREKTE ZUGABE VON CSH ZU UEBERSCHUSSSCHLAMM UND
PRIMAERSCHLAMM BEI 5 G/L (F-L) 151
6.6.2.1 GEMEINSAME FAULUNG VON UEBERSCHUSSSCHLAMM AUS EINER
CSHVORBEHANDLUNGSSTUFE MIT PRIMAERSCHLAMM 152
6.6.2.2 EINFLUSS VON CSH AUF DIE PHOSPHATBINDUNG IN DEN FAULSCHLAEMMEN
153
6.6.2.3 VERSUCH MIT UEBERSCHUSSSCHLAMM UND PRIMAERSCHLAMM IM 150 L-REAKTOR
(ES-1) 155
6.6.3 ZUSAMMENFASSUNG: CSH-ZUGABE ZU UEBERSCHUSSSCHLAMM UND PRIMAERSCHLAMM
159
6.7 UNTERSUCHUNG DES FIX-PHOS-RUECKGEWINNUNGSPRODUKTES 160 6.8
KOSTENABSCHAETZUNGEN 161
6.9 ZUSAMMENFASSUNG DER UNTERSUCHUNGEN 162
6.10 ANWENDUNGSEMPFEHLUNG FUER DAS FIX-PHOS-VERFAHREN 162
6.10.1 ZUGABE VON CSH IN DIE FAULUNG ALS FEINES PULVER OHNE ABTRENNUNG
DES CA-P 163
6.10.2 ZUGABE VON GROEBEREM CSH IN DIE FAULUNG MIT ABTRENNUNG UND
RUECKGEWINNUNG DES CA-P 164
7 PHOSPHATRUECKGEWINNUNG AUS KLAERSCHLAMMASCHEN - DAS SESAL-PHOS-VERFAHREN
167
7.1 AUSGANGSPUNKT DER UNTERSUCHUNG 167
7.2 AUSWAHL DER KLAERSCHLAMMASCHEN 169
7.2.1 SAURE VORBEHANDLUNG DER KLAERSCHLAMMASCHEN 170
7.3 ALKALISCHE BEHANDLUNG DER SAUER ELUIERTEN KLAERSCHLAMMASCHEN 172 7.4
ALKALISCHE RUECKLOESBARKEIT IN ABHAENGIGKEIT VOM CA-GEHALT DER
KLAERSCHLAMMASCHEN 176
7.5 XRD-UNTERSUCHUNGEN DER UNBEHANDELTEN UND SAUER ELUIERTEN
KLAERSCHLAMMASCHEN 176
INHALTSVERZEICHNIS V
IMAGE 6
7.6 WEITERE OPTIMIERUNG DER ALKALISCHEN PHOSPHATRUECKLOESUNG 179
7.7 AUFSTELLUNG VON MASSENBILANZEN 182
7.8 RUECKGEWINNUNG VON PHOSPHAT AUS DEM BASISCHEN ELUAT UND
CHARAKTERISIERUNG DES RUECKGEWINNUNGSPRODUKTES 186 7.9 RECYCLING VON
ALUMINIUM ALS FAELLMITTEL 190
7.10 VERGLEICH DES VERFAHRENS MIT ANDEREN
RUECKGEWINNUNGSVERFAHREN 190
7.11 SCHLUSSFOLGERUNGEN 193
8 UNTERSUCHUNGEN ZUR DIREKTEN VERWENDUNG VON
KLAERSCHLAMMASCHEN ALS DUENGER 195
8.1 SCHWERMETALLGEHALTE VON KLAERSCHLAMMASCHEN UND VON ROHPHOSPHAT 196
8.2 EINFACHES AUFBEREITUNGSVERFAHREN FUER KLAERSCHLAMMASCHEN 200 8.3
VARIATION DES AUFSCHLUSSVERFAHRENS MIT EINER ABREICHERUNG VON
SCHWERMETALLEN 202
8.4 RUECKLOESUNG VON SCHWERMETALLEN AUS DER AUFGESCHLOSSENEN
KLAERSCHLAMMASCHE 203
8.5 ZUSAMMENFASSUNG: DIREKTER AUFSCHLUSS VON KLAERSCHLAMMASCHE 204
9 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 205
9.1 PHOSPHATBINDUNGSFORMEN IM KLAERSCHLAMM 206
9.2 FK-PHOS-VERFAHREN 208
9.3 SESAL-PHOS-VERFAHREN 209
9.4 DIREKTE VERWERTUNG VON KLAERSCHLAMMASCHEN 211
9.5 AUSBLICK 212
10 LITERATUR 215
11 ANHANG 233
11.1 ANHANG ZU KAPITEL 1 233
11.2 ANHANG ZU KAPITEL 2 234
11.3 ANHANG ZU KAPITEL 3 235
11.4 ANHANG ZU KAPITEL 4 237
11.5 ANHANG ZU KAPITEL 5 239
11.6 ANHANG ZU KAPITEL 6 254
11.7 ANHANG ZU KAPITEL 7 285
11.8 ANHANG ZU KAPITEL 8 286
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