DE102014019460A1

DE102014019460A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Extraktion von Phosphor aus Abwasser

Info

Publication number: DE102014019460A1
Application number: DE102014019460.4A
Authority: DE
Inventors: Marianne Buchmüller; Ulrich Knörle
Original assignee: ELIQUO STULZ GmbH
Current assignee: ELIQUO STULZ GmbH
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Eine Vorrichtung für die Extraktion von Phosphat aus Abwasser umfasst einen Gasabscheider 1, einen Kristallisationsreaktor 2 und einen Kristallabscheider 3. Über eine Zuleitung 10 wird dem Gasabscheider 1 Abwasser zugeführt. In dem Gasabscheider 1 wird der Gehalt von in dem Abwasser gelösten Gasen, insbesondere Kohlendioxid und Methan verringert. Das entgaste Abwasser wird über eine Ableitung 11 dem Kristallisationsreaktor 2 zugeführt. In dem Kristallisationsreaktor 2 wird in dem Abwasser gelöstes Phosphat in Form von Struvitkristallen gefällt. In dem Kristallabscheider 3 werden die im Kristallisationsreaktor 2 gebildeten Struvitkristalle von dem Abwasser getrennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Extraktion von Phosphor aus Abwasser mit einem Kristallisationsreaktor für die Bildung von phosphorhaltigen Kristallen.
Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Extraktion von Phosphor aus Abwasser.
Die Vorrichtung und das Verfahren werden u. a. bei der Behandlung von Klärschlamm oder anderen Phosphat-haltigen Flüssigkeiten und Schlämmen eingesetzt.
Phosphor gehört zu den Rohstoffen, die in einem absehbaren Zeitraum aus heutiger Sicht einer sehr starken Verknappung unterliegen. Dies hat die deutsche Bundesregierung erkannt und deshalb im Koalitionsvertrages folgendes festgeschrieben: "Der Schutz der Gewässer vor Nährstoffeinträgen sowie Schadstoffen soll verstärkt und rechtlich so gestaltet werden, dass Fehlentwicklungen korrigiert werden. Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen." (CDU, 2013). Dass eine Phosphorrückgewinnung durchaus seine Berechtigung hat, zeigt die Tatsache, dass die geschätzten Weltvorräte im Jahr 1979 noch bei 50 Milliarden Tonnen lagen, was bei dem damaligen Verbrauch einer Verfügbarkeit von 500 Jahren entsprach. Nach Schätzungen aus dem Jahr 2012 liegt die Endlichkeit der abbauwürdigen Vorräte bei etwa 100 Jahren (Ehbrecht, Fuderer, Schönauer, & Schuhmann, 2012).
Die Rückgewinnung von Phosphor im Bereich der kommunalen und industriellen Abwasser- und Schlammbehandlung kann entweder aus der wässrigen Phase, aus dem Schlamm oder aus den Aschen nach einer Klärschlammverbrennung erfolgen. Das hier beanspruchte Verfahren sowie die beanspruchte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat eine Rückgewinnung von Phosphor aus der wässrigen Phase und aus dem Schlamm in Form von Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP, Struvit) zum Ziel.
Verfahren für die Extraktion von Phosphor aus Abwasser sind im Stand der Technik bekannt.
Zur Unterstützung der MAP-Kristallisation werden teilweise Sand oder andere Mineralien (Crystalactor^®-Prozess) verwendet.
Beim P-RoC-Prozess ( DE 10 2011 016 826 A1 ) erfolgt die Kristallisation phosphathaltiger Mineralphasen auf der Oberfläche von porösen Calcium-Silikat-Hydrat-(CSH)-Substraten als Kristallisationssubstrat. Die Rückgewinnung des im Substrat enthaltenen Phosphors erfolgt als Calciumphosphat.
Die EP 1496010 legt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Rückgewinnung von Phosphat in der Form von MAP-Kristallen aus Abwasser offen, bei dem das Abwasser hohe Konzentrationen organischer Substanz, Phosphor und Stickstoff enthält. Dieser Behandlungsprozess beinhaltet die biologische Behandlung eines Schlamm-Wasser-Gemisches, wobei unter gleichzeitiger Dosierung einer Magnesium-Quelle MAP-Kristalle geformt und deren Wachstum angeregt wird. Nach Abtrennung der MAP-Kristalle aus dem Ablauf des Reaktors wird zumindest ein Teil des Schlammes wieder zurück in den Reaktor geführt. Neben der Phosphat-Rückgewinnung wird in diesem Verfahren auch gleichzeitig die organische Fracht reduziert.
Die WO2014/003554A1 lehrt einen anaeroben Reaktor zur Herstellung und Sammlung von Struvit mit oben am Reaktor angeordneten Einläufen und einem Auslauf am Boden, wobei die Einläufe so ausgestaltet sind, dass eine Drehbewegung des Reaktorinhaltes beim Beschicken des Reaktors erzeugt wird und das gebildete Struvit durch Schaber am Boden zum Auslauf hin bewegt wird.
Auch in der EP 1786733B1 wird ein Verfahren gelehrt, das neben der Rückgewinnung von Phosphor den Abbau organischer Fracht zum Ziel hat. In diesem Verfahren läuft der Prozess unter aeroben Bedingungen ab, wobei durch die Wahl einer geeigneten hydraulischen Aufenthaltszeit das Wachstum nitrifizierender Bakterien minimiert wird, um so den für die Kristallisation von Magnesiumammoniumphosphat erforderlichen Reaktionspartner Ammonium in ausreichender Konzentration verfügbar zu haben bzw. nicht anderweitig zu verwerten.
Aus der WO2008/115758A1 ist ein Verfahren für die Entfernung von Phosphor und Ammonium aus einem wässrigen Strom bekannt. Der Phosphor enthaltende wässrige Strom wird in zwei bis fünf hintereinander geschalteten Stufen mit Lauge und Magnesium in Kontakt gebracht und dadurch die Ausfällung von Struvit initiiert. Das Struvit wird jeweils am Boden jeder Stufe abgezogen und in die vorherige Stufe eingeleitet. Der Phosphor enthaltende wässrige Strom wird im Gegenstrom von der ersten bis zur letzten Stufe geführt. Die einzelnen Stufen zeichnen sich durch einen im Vergleich zur Vorstufe steigenden pH-Wert aus, wobei die Erhöhung des pH-Wertes durch die Dosierung von Lauge erfolgt.
Aus der DE 10 2007 035 910 B4 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Magnesiumammoniumphosphat bei der Klärschlammbehandlung bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem Reaktionsbehälter in den Faulschlamm eingebracht wird und dieser mit Luft vermischt wird. Durch Zugabe von Magnesiumchlorid wird das Ausfällen von Magnesiumammoniumphosphat initiiert. Durch den Lufteintrag wird einerseits das im Faulschlamm gelöste CO₂ ausgestrippt und so der pH-Wert angehoben. Es ist bekannt, dass die Fällungsreaktion bei höheren pH-Werten leichter abläuft. Gleichzeitig werden durch den Lufteintrag charakteristische Strömungsverhältnisse geschaffen, die es ermöglichen, dass die schweren MAP-Partikel sich in einer Beruhigungszone sammeln und von dort dem System entnommen werden können.
Die DE 10 2011 112 780 A1 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm mit den Behandlungsschritten Hydrolyse des Klärschlamms und der Faulung des der Hydrolyse unterzogenen hydrolysierten Klärschlamms zur anaeroben Behandlung des Klärschlamms sowie mit einem Schritt der Abtrennung von Phosphat aus dem mindestens teilweise behandelten Klärschlamms. Die Abtrennung von Phosphat erfolgt nach dem Behandlungsschritt der Hydrolyse und vor dem Behandlungschritt der Faulung des hydrolysierten Klärschlamms, wobei der durch die Abtrennung von Phosphat um diesen abgetrennten Phosphatanteil verminderte Klärschlamm der anaeroben Behandlung durch Faulung zugeführt wird.
Aus dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik lässt sich ableiten, dass die Phosphatrückgewinnung aus der wässrigen Phase entweder durch Dosierung von Calcium- oder Magnesium-Ionen unter aeroben oder anaeroben Verfahrensbedingungen erfolgt. Zur Effizienzsteigerung und Forcierung der MAP-Kristallisation wird in aller Regel der pH-Wert durch Zugabe von Lauge und/oder durch Ausstrippen des gelösten CO₂ aus der wässrigen Phase angehoben. Das Ausstrippen des gelösten CO₂ erfolgt in aller Regel durch die Zugabe von Luft. Da insbesondere bei Abläufen aus Faulungsanlagen neben CO₂ auch Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Methan als gelöste Gase in der Flüssigkeit vorliegen, kann die Belüftung der Flüssigkeit erhebliche Geruchsemissionen verursachen. Darüber hinaus besitzt Methan gemäß Angaben der UN (United Nations Framework Convention on Climate Change, 2014) auf 100 Jahre bezogen ein Treibhausgaspotential von 21. Die Erfindung hat neben der Rückgewinnung von Phosphor daher auch das Ziel, die bei der Durchführung des Verfahrens verursachten Methan-Emissionen zu minimieren. Darüber hinaus soll durch die Entkoppelung der Aufenthaltszeit der Flüssigkeit von der Aufenthaltszeit der MAP-Kristalle in der Reaktionszone das Kristallwachstum optimiert und somit auch der Abscheide- bzw. Rückgewinnungsgrad von Phosphor maximiert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, umfassend einen Kristallisationsreaktor für die Bildung von phosphorhaltigen Kristallen und einen Gasabscheider zur Entgasung des Abwassers, wobei ein Auslass des Gasabscheiders über eine Fluidleitung mit einem Einlass des Kristallisationsreaktors verbunden ist und der Gasabscheider eine Unterdruckvorrichtung, eine Umwälzvorrichtung, eine Rieselkolonne und/oder einen Belüfter umfasst.
Zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass

– der Kristallisationsreaktor einen Behälter und einen Fluidantrieb zur Erzeugung einer Umlaufströmung in dem Behälter umfasst;
– der Fluidantrieb eine Gasheberpumpe ist;
– die Vorrichtung einen Kristallabscheider mit einem oder mehreren Sedimentationsbecken und einer oder mehreren Ableitungen umfasst;
– ein Boden des Behälters des Kristallisationsreaktors konkav ausgebildet ist;
– der Boden des Behälters des Kristallisationsreaktors eine sphärische, elliptische oder kegelförmige Kontur aufweist;
– der Boden des Behälters des Kristallisationsreaktors einen zentrisch angeordneten Einlass aufweist und der Fluidantrieb an den Einlass angeschlossen ist;
– der Kristallabscheider eine Fördervorrichtung für Kristalle umfasst;
– die Fördereinrichtung für Kristalle eine Gasheberpumpe ist;
– die Vorrichtung einen ersten Vorlagebehälter für ein basisches Reagenz und eine erste Dosiervorrichtung umfasst;
– die Vorrichtung einen zweiten Vorlagebehälter für ein Magnesium-haltiges Reagenz und eine zweite Dosiervorrichtung umfasst;
– die Vorrichtung einen oder mehrere pH-Sensoren umfasst;
– die Vorrichtung einen oder mehrere Phosphat-Sensoren umfasst; und/oder
– die Vorrichtung eine elektronische Steuerung umfasst, wobei die Fluidantriebe, die Dosiervorrichtungen, die pH-Sensoren und/oder die Phosphat-Sensoren an die elektronische Steuerung angeschlossen sind.

Im Weiteren hat die Erfindung die Aufgabe ein effizientes Verfahren für die Extraktion von Phosphor aus Abwasser bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, worin

– das Abwasser in einem Gasabscheider mittels Unterdruck, Umwälzung, Rieselentgasung und/oder Belüftung entgast und das entgaste Abwasser einem Kristallisationsreaktor zugeführt wird;
– in dem Kristallisationsreaktor eine Umlaufströmung induziert und das in dem Abwasser enthaltene Phosphat in kristalliner Form gefällt wird; und
– ein Teil, der in dem Kristallisationsreaktor gebildeten Kristalle mittels eines Kristallabscheiders abgeführt wird.

Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass:

– eine Teilmenge der in dem Kristallisationsreaktor gebildeten Kristalle zeitgesteuert entnommen wird;
– das dem Kristallisationsrekator zugeführte Abwasser einen Gehalt an Kohlendioxid von ≤ 1 g/l aufweist;
– das dem Kristallisationsrekator zugeführte Abwasser einen Gehalt an Methan von ≤ 0.015 g/l aufweist;
– das Abwasser in dem Kristallisationsreaktor einen Gehalt an Phosphat von ≤ 0,04 g/l aufweist;
– die hydraulische Aufenthaltszeit des Abwassers in dem Kristallisationsreaktor 4 bis 16 h beträgt; und/oder
– das Abwasser in dem Kristallisationsreaktor 60 bis 200 g/l Struvit enthält.

Bei den im Kristallisationsreaktor gebildeten Kristallen handelt es sich insbesondere um Magnesiumammoniumphosphatkristalle (MAP) beziehungsweise Struvitkristalle mit der chemischen Formel (NH₄)Mg[PO₄]·6H₂O. Struvitkristalle haben eine Dichte von 1,71 g·cm^–3 und eine molare Masse von 245,41 g·mol^–1. Aus der chemischen Formel ist ersichtlich, dass ein Mol Struvit ein Mol Phosphat enthält. Dementsprechend ergibt sich für den Phosphatgehalt im Kristall ein Wert von 1/245,41 mol·g^–1 = 4,07·10^–3 mol·g^–1. Für die Bildung von Struvitkristallen ist zum einen die Kristallnukleation und zum anderen das Wachstum von Kristallen oder Kristallkeimen maßgeblich. Sowohl die Kristallnukleation wie auch das Kritallwachstum hängen in komplexer Weise von den chemischen Verhältnissen im Abwasser ab, insbesondere von der Konzentration an gelöstem Phosphat, Magnesium, Ammonium sowie dem pH-Wert und der Temperatur des Abwassers.
Die Wachstumsrate für Struvitkristalle ist proportional zur Konzentration der Edukte Phosphat, Ammonium und Magnesium sowie zur Konzentration der Struvitkeime. Struvitkeime liegen in dem im Kristallisationsreaktor enthaltenen Abwasser in Form von Struvitkristallen vor, wobei die effektive Konzentration der Struvitkeime proportional zur Oberfläche der Struvitkristalle ist. Die Struvitkristalle liegen typischerweise in einer Größenverteilung von etwa 20 μm bis 1,5 mm vor, wobei der Begriff ”Größe” den Durchmesser einer volumenäquivalenten Struvitkugel bezeichnet. Die tatsächliche Form der Struvitkristalle weicht von der Kugelform ab. Dementsprechend ist die tatsächliche Oberfläche der Struvitkristalle größer als die Oberfläche einer volumenäquivalenten Kugel. Die Größenverteilung der Struvitkristalle hängt in komplexer Weise von den thermischen und chemischen Verhältnissen im Kristallisationsreaktor ab. Im regulären Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Temperatur und die chemischen Randbedingungen, insbesondere der pH-Wert im Wesentlichen konstant gehalten. Unter dieser Voraussetzung ist die Größenverteilung der Struvitkristalle ebenfalls konstant, so dass der Gehalt an Struvitkeimen proportional zum Gewichtsanteil [g/l] der Struvitkristalle im Kristallisationsreaktor ist.
Um das Kristallwachstum im erfindungsgemäßen Kristallisationsreaktor mathematisch zu beschreiben, werden die folgenden zeitabhängigen Variablen definiert:

x: Gewichtsanteil der Kristalle im Kristallisationsreaktor [g/l]
x_e: Kristallentnahme [g/l]
r: Reaktionsrate für Kristallbildung [l³·g^–3·s^–1]
p_x: kristalliner Phosphatgehalt [g/g] (in Struvit gilt p_x = 94,97/245,41 = 0,39)
p₀: Konzentration an gelöstem Phosphat im unbehandelten Abwasser [g/l]
p: Konzentration an gelöstem Phosphat im Kristallisationsreaktor [g/l]
m: Konzentration an gelöstem Magnesium im Kristallisationsreaktor [g/l]
n: Konzentration an gelöstem Ammonium im Kristallisationsreaktor [g/l]
f: Abwasserfluss [m³/h]
V: Abwasservolumen im Kristallisationsreaktor [m³]

Damit können die folgenden Ratengleichungen (Ia) und (Ib) aufgestellt werden:
dp / dt = (p₀ – p) f / V – p_x·x·r·p·m·n (Ib)
Wie oben erläutert sind der pH-Wert und die Temperatur im Wesentlichen konstant, so dass für die Kristallisationsrate r = r₀ ≡ konstant gilt. Im Weiteren wird vorausgesetzt, dass im Abwasser gelöstes Magnesium und Ammonium, bezogen auf gelöstes Phosphat in überstöchiometrischer Konzentration vorliegen, d. h. m = m₀ ≡ konstant, n = n₀ ≡ konstant und m₀ > p, n₀ > p zu jeder Zeit t. Dementsprechend gilt r·m·n = r₀·m₀·n₀ = c ≡ konstant. Somit erhalten Gleichung (Ia) und (IIa) die folgende vereinfachte Form:
dp / dt = (p₀ – p) f / V – p_x·c·x·p (IIb)
Im quasistationären Betrieb sind die Phosphatkonzentration und der Gewichtsanteil der Kristalle im Kristallisationsreaktor konstant, d. h. dx/dt = 0 und dp/dt = 0, so dass gilt:
0 = (p₀ – p) f / V – p_x·c·x·p (IIIb) und
(p₀ – p) f / V = p_x·c·x·p (IVb)
Beispielsweise betrage

– die Phosphatkonzentration im unbehandelten Abwasser p₀ = 1 g/l;
– die Phosphatkonzentration im Kristallisationsreaktor p = 0,1 g/l;
– der Abwasserfluss f = 10 m³/h; und
– das Abwasservolumen im Kristallisationsreaktor V = 100 m³.

Aus Gleichung (IVb) folgt somit
Einsetzen in Gleichung (IVa) liefert:
Dies entspricht bei einem Reaktorvolumen von 100 m³ einer Entnahme an Struvit von 23,1 kg/h im quasistationären Betrieb.
Es wird vorausgesetzt, dass die Ratenkonstante c den Wert c = 6,41·10^–6 l·g^–1·s^–1 hat und im quasistationären Betrieb der Struvitgehalt im Kristallisationsreaktor 100 g/l beträgt.
Um die erfindungsgemäße Vorrichtung in Betrieb zu nehmen, wird der Kristallisationsreaktor mit entgastem Abwasser gefüllt und die Entnahme von Struvit unterbunden, bis der Struvitgehalt den für quasistationären Betrieb vorgegebenen Wert von x = 100 g/l erreicht hat. Da kein Struvit entnommen wird, ist dx_e/dt = 0. Im Weiteren gelte f/V = 0,1 h^–1 = 2,78·10^–5 s^–1, so dass Gleichungen (IIa) und (IIb) die folgende Form annehmen: dx / dt = 6,41·10^–6 [ l / g·s]·x·p (Va) dp / dt = 2,78·10^–5 [s^–1](1 [ g / l] – p) – 0,39·6,41·10^–6 [ l / g·s]·x·p (Vb)
Zur Zeit t = 0 werden folgende Anfangsbedingungen vorausgesetzt: x(0) = 1 g/l; p(0) = 1 g/l.
Die Gleichungen (Va), (Vb) repräsentieren gekoppelte Differentialgleichungen für x und p, deren numerische Lösung nachfolgend in grafischer Form wiedergegeben ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Extraktion von Phosphat aus Abwasser mit Gasabscheider, Kristallisationsreaktor und Kristallabscheider;
2 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Unterdruck-Gasabscheider, Kristallisationsreaktor und Kristallabscheider;
3 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem als Rieselkolonne ausgebildeten Gasabscheider;
4 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Gasabscheider mit Rührer;
5 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kristallisationsreaktor mit integriertem Kristallabscheider;
6 eine Schnittansicht eines Kristallisationsreaktors mit integriertem Kristallabscheider;
7 eine Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Kristallabscheiders;
8 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kristallabscheider gemäß 7; und
9 ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Extraktion von Phosphat aus Abwasser mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2 und einem Kristallabscheider 3. Über eine Zuleitung 10 wird dem Gasabscheider 1 Abwasser zugeführt von einer in 1 nicht gezeigten Kläranlage, insbesondere aus einem Faulturm der Kläranlage. In dem Gasabscheider 1 wird der Gehalt von in dem Abwasser gelösten Gasen, insbesondere Kohlendioxid und Methan verringert. Das entgaste Abwasser wird über eine Ableitung 11 dem Kristallisationsreaktor 2 zugeführt. In dem Kristallisationsreaktor 2 wird in dem Abwasser gelöstes Phosphat in Form von Struvitkristallen gefällt. In dem Kristallabscheider 3 werden die im Kristallisationsreaktor 2 gebildeten Struvitkristalle von dem Abwasser getrennt. Vorzugsweise ist der Kristallabscheider 3 in den Kristallisationsreaktor 2 integriert. In einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der Kristallabscheider 3 als separate Einheit ausgebildet und über eine Leitung 26 mit dem Kristallisationsreaktor 2 verbunden. Über eine Ableitung 37 werden Struvitkristalle aus dem Kristallabscheider 3 abgeführt. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine weitere Ableitung 36 vorgesehen, über die Abwasser aus dem Kristallabscheider abgeführt wird. Vorzugsweise ist zudem eine Ableitung 38 vorgesehen, die den Kristallabscheider 3 mit dem Kristallisationsreaktor 2 verbindet und zur Rückführung von Struvit von dem Kristallabscheider 3 in den Kristallisationsrektor 2 dient.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Vorlagebehälter 4 für eine basische Substanz, wie beispielsweise Natronlauge. Der Behälter 4 ist über eine Ableitung 41 mit dem Kristallisationsreaktor 2 verbunden. Zudem ist optional eine Ableitung 42 vorgesehen, die von dem Behälter 4 zu dem Gasabscheider 1 führt. Von dem Vorlagebehälter 4 wird über die Ableitung 41 und/oder 42 dem Abwasser in dem Kristallisationsreaktor 2 und/oder dem Abwasser in dem Gasabscheider 2 Lauge zudosiert, um den pH-Wert des jeweiligen Abwassers anzuheben. In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Vorlagebehälter 5 für eine Magnesium-haltige Substanz, wie beispielsweise Magnesiumchlorid, Magnesiumhydroxid oder Magnesiumoxid. Vorzugsweise enthält der Vorlagebehälter 5 eine wässrige Lösung der Magnesium-haltigen Substanz. Die Magnesium-haltige Substanz dient in Verbindung mit dem im Abwasser enthaltenen Phosphat als Edukt für die Bildung von Phosphat-haltigen Kristallen, insbesondere für die Bildung von Struvit-Kristallen. Der Vorlagebehälter 5 ist über eine Ableitung 51 mit dem Kristallisationsreaktors 2 verbunden.
Die 2–5 zeigen beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist modular aufgebaut und umfasst einen Gasabscheider 1, einen Kristallisationsreaktor 2 und einen Kristallabscheider 3, die weitgehend unabhängig voneinander ausgestaltet sind. In der Erfindung sind weitere Ausführungsformen einbegriffen, die aus den in 2–5 und 8 gezeigten Ausführungsformen durch voneinander unabhängige Variation des Gasabscheiders 1, des Kristallisationsreaktors 2 und des Kristallabscheiders 3 erhalten werden. Allgemein kann jeder der erfindungsgemäßen Gasabscheider 1 in Verbindung mit jedem der erfindungsgemäßen Kristallisationsreaktoren 2 eingesetzt werden. Ebenso kann jeder der erfindungsgemäßen Kristallisationsreaktoren 2 in Verbindung mit jedem der erfindungsgemäßen Kristallabscheider 3 verwendet werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2 und einem Kristallabscheider 3. Der Gasabscheider 1 umfasst einen Behälter 12 mit einer Zuleitung 10 für Abwasser. Das Abwasser wird von einer in 2 nicht gezeigten Kläranlage, insbesondere aus einem Faulturm der Kläranlage über die Zuleitung 10 in den Behälter 12 des Gasabscheiders 1 gespeist. Der Behälter 12 wird mittels einer Vakuumpumpe oder einem Unterdruckgebläse 14 mit Unterdruck beaufschlagt. Über eine in einem oberen Bereich des Behälters 12 angeordnete Ableitung 13 werden in dem Abwasser gelöste Gase, insbesondere Kohlendioxid und Methan abgeleitet. Das entgaste Abwasser wird über eine Ableitung 11 dem Kristallisationsreaktor 2 zugeführt. Der Kristallisationsreaktor 2 umfasst einen Behälter 20. Vorzugsweise sind im Inneren des Behälters 20 eine oder mehrere Strömungsblenden 21 angeordnet. Zweckmäßig ist die mindestens eine Strömungsblende 21 rohrförmig ausgebildet und weist einen runden oder polygonalen Rohrquerschnitt auf, wobei eine Längsachse der Strömungsblende 21 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Der Behälter 20 ist in einem unteren Bereich mit einem Einlass 24 ausgestattet. Ein Lüfter oder Kompressor 22 ist über eine Zuleitung 23 mit dem Einlass 24 verbunden. Mittels des Lüfters oder Kompressors 22 wird in das in dem Kristallisationsreaktor 20 befindliche Abwasser Luft eingebracht und eine aufwärts gerichtete Strömung induziert gemäß dem bekannten Prinzip einer Gasheberpumpe beziehungsweise Mammutpumpe. Die aufwärts gerichtete Strömung – begünstigt durch die Strömungsblende 21 – bewirkt in dem im Kristallisationsreaktor 2 befindlichen Abwasser eine im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Umlaufströmung, die in 2 durch Strömungspfeile 21' symbolisiert und nachfolgend als Umlaufströmung 21' bezeichnet ist.
Der Lüfter 22 ist vorzugsweise oberhalb des Kristallisationsreaktors 2 beziehungsweise oberhalb der maximalen Füllhöhe des Abwassers im Kristallisationsreaktor 2 angeordnet. Die mittels des Lüfters 22 in den Kristallisationsreaktor 2 eingetragene Luft wird über eine in einem oberen Bereich des Behälters 20 angeordnete Gasableitung 25 abgeführt. Optional ist zwischen dem Lüfter 22 und dem Einlass 24 ein in 2 nicht gezeigtes Rückschlagventil angeordnet.
Über eine Ableitung 26 wird aus dem Behälter 20 Abwasser in einen Kristallabscheider 3 geleitet. Der in 2 gezeigte Kristallabscheider 3 ist außerhalb des Behälters 20 angeordnet. Der Kristallabscheider 3 umfasst einen Separator und eine Fördervorrichtung für Feststoffe, insbesondere für Struvitkristalle. Der Separator ist vorzugsweise als Hydrozyklon oder Sedimentationsbecken ausgebildet.
Das von Kristallen befreite Abwasser wird aus dem Kristallabscheider 3 über eine Ableitung 36 abgeführt. Über eine weitere Ableitung 37 werden im Separator akkumulierte Kristalle ausgebracht. Zum Ausbringen der im Separator akkumulierten Kristalle wird eine in 2 nicht gezeigte, mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betriebene Fördervorrichtung eingesetzt. Vorzugsweise ist die Fördervorrichtung des Kristallabscheiders 3 als Zellradschleuse oder Gasheberpumpe ausgebildet.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Kristallabscheiders 3 ist eine zusätzliche Ableitung 38 vorgesehen, die den Kristallabscheider 3 mit dem Behälter 20 des Kristallisationsreaktors 2 verbindet und es ermöglicht, Kristalle in den Kristallisationsreaktor 2 zurückzuführen. Zu diesem Zweck ist die Ableitung 38 mit einer in 2 nicht gezeigten mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Fördervorrichtung ausgestattet, beziehungsweise mit einer derartigen Fördervorrichtung verbunden. Vorzugsweise ist die für die Ableitung 38 vorgesehene Fördervorrichtung als Gasheberpumpe ausgebildet.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung 100 einen Vorlagebehälter 4 für eine basische Substanz, wie beispielsweise Natronlauge. Der Behälter 4 ist über eine Ableitung 41 mit dem Behälter 20 des Kristallisationsreaktors 2 verbunden. Vorzugsweise ist der Behälter 4 oder die Ableitung 41 mit einer in 2 nicht gezeigten Dosiervorrichtung, wie beispielsweise einem Drosselventil, insbesondere mit einem elektronisch steuerbaren Drosselventil ausgerüstet. Zudem ist optional eine Ableitung 42 vorgesehen, die von dem Behälter 4 zu dem Gasabscheider 1 führt. Vorzugsweise ist auch die Ableitung 42 mit einer, in 2 nicht gezeigten Dosiervorrichtung ausgestattet. Von dem Vorlagebehälter 4 wird über die Ableitung 41 und/oder 42 dem Abwasser in dem Kristallisationsreaktor 2 und/oder dem Abwasser in dem Gasabscheider 2 Lauge zudosiert, um den pH-Wert des jeweiligen Abwassers anzuheben.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung 100 einen Vorlagebehälter 5 für eine Magnesium-haltige Substanz, wie beispielsweise Magnesiumchlorid, Magnesiumhydroxid oder Magnesiumoxid, sowie eine in 2 nicht gezeigte Dosiervorrichtung. Vorzugsweise enthält der Vorlagebehälter 5 eine wässrige Lösung der Magnesium-haltigen Substanz. Die Magnesium-haltige Substanz dient in Verbindung mit dem im Abwasser enthaltenen Phosphat als Edukt für die Bildung von Phosphat-haltigen Kristallen, insbesondere für die Bildung von Struvit-Kristallen. Der Vorlagebehälter 5 ist über eine Ableitung 51 mit dem Behälter 20 des Kristallisationsreaktors 2 verbunden.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 200 mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2 und einem Kristallabscheider 3, wobei der Gasabscheider 1 als Rieselkolonne 15 ausgebildet ist. Das zu behandelnde Abwasser wird der Rieselkolonne 15 über eine Zuleitung 10 zugeführt. Über eine Ableitung 11 wird entgastes Abwasser von der Rieselkolonne 15 in den Kristallisationsreaktor 2 geleitet. In einem oberen Bereich weist die Rieselkolonne 15 eine Ableitung 13 für aus dem Abwasser freigesetzte Gase, wie insbesondere Kohlendioxid und Methan auf. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist an einen unteren Bereich der Rieselkolonne 15 ein Lüfter oder Kompressor 16 über eine Zuleitung 17 angeschlossen. Mittels des optionalen Lüfters 16 wird der Gasgehalt des Abwassers, insbesondere der Gehalt an Kohlendioxid weiter reduziert. Vorzugsweise ist der Lüfter 16 oberhalb der Rieselkolonne 15 beziehungsweise oberhalb der Füllhöhe des Abwassers in der Rieselkolonne 15 angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Rieselkolonne 15, an die eine in 3 nicht gezeigte Vakuumpumpe oder ein Unterdruckgebläse angeschlossen ist, analog zu der in 2 gezeigten Vorrichtung 100, in der eine Vakuumpumpe oder ein Unterdruckgebläse 14 über die Ableitung 13 mit dem Behälter 12 des Gasabscheiders 1 verbunden ist. Es ist vorgesehen, die in 3 nicht gezeigte optionale Vakuumpumpe oder das optionale Unterdruckgebläse anstelle oder in Verbindung mit dem Lüfter oder Kompressor 16 an die Rieselkolonne 15 anzuschließen. In der letztgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden das der Rieselkolonne 15 von dem Lüfter oder Kompressor 16 zugeführte Gas, insbesondere Luft, und die aus dem Abwasser freigesetzten Gase mittels der in 3 nicht gezeigten Vakuumpumpe bzw. des Unterdruckgebläses aus der Rieselkolonne 15 abgezogen.
Der in 3 gezeigte Kristallisationsreaktor 2 und der Kristallabscheider 3 sowie die Vorlagebehälter 4 und 5 sind in gleicher Weise wie in 2 ausgebildet. Dementsprechend haben die zugehörigen Bezugszeichen der 3 die gleiche Bedeutung, wie vorstehend in Verbindung mit 2 dargelegt.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 300 mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2 und einem Kristallabscheider 3. Der Gasabscheider 1 umfasst einen Behälter 12, in dem ein Rührer 18 angeordnet ist. Das zu behandelnde Abwasser wird dem Behälter 12 über eine Zuleitung 10 zugeführt. Über eine Ableitung 11 wird entgastes Abwasser von dem Behälter 12 in den Kristallisationsreaktor 2 geleitet. Der Rührer 18 wird vorzugsweise mittels eines in 4 nicht gezeigten Elektromotors angetrieben. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist ein Lüfter oder Kompressor 16 über eine Leitung 17 mit einem unteren Teil des Behälters 12 verbunden. Mittels des optionalen Lüfters 16 wird der Gasgehalt des Abwassers, insbesondere der Gehalt an Kohlendioxid weiter reduziert. Vorzugsweise ist der Lüfter 16 oberhalb des Behälters 12 beziehungsweise oberhalb der Füllhöhe des Abwassers in dem Behälter 12 angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Gasabscheider 1 mit einem Behälter 12 und einem Rührer 18, wobei an den Behälter 12 eine in 4 nicht gezeigte Vakuumpumpe oder ein Unterdruckgebläse angeschlossen ist, analog zu der in 2 gezeigten Vorrichtung 100, in der eine Vakuumpumpe oder ein Unterdruckgebläse 14 über die Ableitung 13 mit dem Behälter 12 des Gasabscheiders 1 verbunden ist. Es ist vorgesehen, die in 4 nicht gezeigte optionale Vakuumpumpe oder das optionale Unterdruckgebläse anstelle oder in Verbindung mit dem Lüfter oder Kompressor 16 an den Behälter 12 anzuschließen. In der letztgenannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden das dem Behälter 12 von dem Lüfter oder Kompressor 16 zugeführte Gas, insbesondere Luft, und die aus dem Abwasser freigesetzten Gase mittels der in 4 nicht gezeigten Vakuumpumpe bzw. des Unterdruckgebläses aus dem Behälter 12 abgezogen.
Der Kristallisationsreaktor 2 umfasst einen Behälter 20. Vorzugsweise sind im Inneren des Behälters 20 eine oder mehrere Strömungsblenden 21 angeordnet. Zweckmäßig ist die mindestens eine Strömungsblende 21 rohrförmig ausgebildet und weist einen runden oder polygonalen Rohrquerschnitt auf, wobei eine Längsachse der Strömungsblende 21 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Der Behälter 20 ist in einem unteren Bereich mit einem Einlass 24 ausgestattet. Ein Auslass einer Fluidpumpe 29 ist über eine Zuleitung 23 mit dem Einlass 24 verbunden. Ein oberer Bereich des Behälters 20 ist über eine Ableitung 29' mit einem Einlass der Fluidpumpe 29 verbunden. Mittels der Fluidpumpe 29 wird in dem im Behälter 20 befindlichen Abwasser eine Umlaufströmung 21' induziert. Vorzugsweise ist die Ableitung 29' und/oder der Einlass der Fluidpumpe 29 mit einem in 4 nicht gezeigten Filter oder Sieb ausgerüstet. Der Filter beziehungsweise das Sieb hält Feststoffe zurück und schützt die Fluidpumpe 29 vor abrasivem Verschleiß durch Kristalle. Aus dem im Kristallisationsreaktor 2 befindlichen Abwasser freigesetzte Gase werden über eine in einem oberen Bereich des Behälters 20 angeordnete Gasableitung 25 abgeführt.
Die weiteren Bezugszeichen der 4 haben die gleiche Bedeutung, wie vorstehend in Verbindung mit 2 dargelegt.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 400 mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2 und einem Kristallabscheider 3. Der Gasabscheider 1 der Vorrichtung 400 stimmt mit dem Gasabscheider 1 der Vorrichtung 100 überein und ist vorstehend in Verbindung mit 2 beschrieben.
Der Kristallisationsreaktor 2 der Vorrichtung 400 weist weitgehend den gleichen Aufbau und die gleichen Komponenten auf wie der in Verbindung mit 2 beschriebene Kristallisationsreaktor 2 der Vorrichtung 100. Der Kristallisationsreaktor 2 der Vorrichtung 400 umfasst einen Behälter 20 mit einem in einem unteren Bereich des Behälters 20 angeordneten Einlass 24. Ein Lüfter oder Kompressor 22 ist über eine Zuleitung 23 mit dem Einlass 24 verbunden. Mittels des Lüfters oder Kompressors 22 wird in das im Kristallisationsreaktor 20 befindliche Abwasser Luft eingetragen und eine aufwärts gerichtete Strömung induziert gemäß dem bekannten Prinzip einer Gasheberpumpe. Die aufwärts gerichtete Strömung – unterstützt durch eine optionale Strömungsblende 21 – bewirkt in dem im Kristallisationsreaktor 2 befindlichen Abwasser eine im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Umlaufströmung, die in 5 durch Strömungspfeile 21' symbolisiert ist. Der Behälter 20 ist mit einer Ableitung 27 für Abwasser ausgestattet. Die Ausmündung der Ableitung 27 ist vorzugsweise in einem oberen Bereich des Behälters 20 in einer Höhe angeordnet, die der 0,3- bis 0,9-fachen Höhe des Behälters 20 entspricht. Besonders bevorzugt umfasst die Ableitung 27 einen steigenden Abschnitt, in dem das aus dem Behälter 20 unmittelbar austretende Abwasser über eine Differenzhöhe von größer 0,1 m, vorzugsweise von größer 1 m geführt wird. Durch den nachfolgend als Steigstrecke bezeichneten, ansteigenden Abschnitt der Ableitung 27 wird der Austrag von im Abwasser enthaltenen Feststoffen mit einer Dichte von größer 1 g/cm³ weitgehend vermieden. Insbesondere können Phosphat-haltige Kristalle mit einer Dichte von größer 1,5 g/cm³ die Steigstrecke nicht überwinden und sinken zurück in den Behälter 20 und die darin zirkulierende Umlaufströmung 21'.
Der Kristallabscheider 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 400 ist in einem unteren Bereich des Kristallisationsreaktors 2 angeordnet und umfasst ein oder mehrere Sedimentationsbecken und eine oder mehrere Ableitungen 37 für Kristalle.
6 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kristallisationsreaktors 2 mit einem in einem unteren Bereich des Kristallisationsreaktors 2 angeordneten Kristallabscheider 3. Der Kristallisationsreaktor 2 ist identisch mit dem in Verbindung mit 5 beschriebenen Kristallisationsreaktor 2 der Vorrichtung 400 und umfasst einen Behälter 20 mit einem Boden 28. In dem Boden 28 ist ein Einlass 24 angeordnet. Über eine Zuleitung 23 ist ein in 6 nicht gezeigter Fluidantrieb mit dem Einlass 24 verbunden. Vorzugsweise ist der Fluidantrieb als Gasheberpumpe ausgebildet, wobei der Einlass 24 über die Zuleitung 23 mit einem in 6 nicht gezeigten Lüfter oder Kompressor verbunden ist. Mittels des Lüfters oder Kompressors wird in das in dem Kristallisationsreaktor 20 befindliche Abwasser Luft eingetragen und eine aufwärts gerichtete Strömung induziert gemäß dem bekannten Prinzip einer Gasheberpumpe. Die aufwärts gerichtete Strömung – begünstigt durch eine optionale Strömungsblende 21 – bewirkt in dem im Kristallisationsreaktor 2 befindlichen Abwasser eine im Wesentlichen vertikal ausgerichtete Umlaufströmung, die in 6 durch Strömungspfeile 21' symbolisiert ist. In dem Abwasser suspendierte und von der Umlaufströmung 21' mitgeführte Kristalle sind in 6 durch eine punktförmige Schraffur symbolisiert und mit dem Bezugszeichen 22' gekennzeichnet.
In einem oberen Bereich ist der Behälter 20 mit einem Auslass mit einer Ableitung 27 für Abwasser ausgestattet. Vorzugseise umfasst die Ableitung 27 einen steigenden Abschnitt, in dem das aus dem Behälter 20 unmittelbar austretende Abwasser über eine Differenzhöhe von größer 0,1 m, vorzugsweise von größer 1 m geführt wird. Durch den als Steigstrecke bezeichneten, ansteigenden Abschnitt der Ableitung 27 wird der Austrag von im Abwasser enthaltenen Feststoffen mit einer Dichte von größer 1 g/cm³ weitgehend vermieden. Insbesondere können Phosphat-haltige Kristalle mit einer Dichte von größer 1,5 g/cm³ die Steigstrecke nicht überwinden und sinken zurück in den Behälter 20 und die darin zirkulierende Umlaufströmung 21'.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kristallisationsreaktors 2 ist der Boden 28 des Behälters 20 konkav ausgebildet, wobei ein mittig angeordneter Teil des Bodens 28 tiefer gelegen ist als die den mittigen Teil umgebenden peripheren Bereiche des Bodens 28. Insbesondere weist der Boden 28 eine sphärische, ellipsoidale oder kegelförmige Kontur auf mit einem zentrisch angeordneten Bereich minimaler Höhe. Der mit dem Fluidantrieb verbundene Einlass 24 ist vorzugsweise in dem zentrisch angeordneten Bereich des Bodens 28 angeordnet, d. h. an der Position des Bodens 28 mit minimaler Höhe. Die peripheren Bereiche des Bodens 28 sind gegenüber einer horizontalen Ebene geneigt und weisen ein auf den zentrisch angeordneten Einlass 24 gerichtetes Gefälle auf.
Der Kristallabscheider 3 umfasst ein oder mehrere, durch Wandungen 32 begrenzte Sedimentationsbecken 34. Die Wandungen 32 sind vorzugsweise rohrförmig ausgebildet. Eine obere Öffnung des mindestens einen Sedimentationsbecken (32, 34) mündet in einen peripheren Bereich des Bodens 28.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kristallabscheider 3 eine oder mehrere Schließvorrichtungen 33, die in einem unteren Bereich des einen beziehungsweise der mehreren Sedimentationsbecken (32, 34) angeordnet sind. Die Schließvorrichtungen 33 sind beipielsweise als steuerbare Ventile, Schieber oder Klappen ausgebildet und begrenzen in geschlossener Stellung das Volumen des mindestens einen Sedimentationsbeckens (32, 34). Zur Entladung der Sedimentationsbecken (32, 34) werden die Schließvorrichtungen 33 geöffnet, wobei der Inhalt der Sedimentationsbecken (32, 34) unterstützt durch aus dem Behälter 20 einströmendes Abwasser entladen wird. Nach erfolgter Entladung werden die Sedimentationsbecken (32, 34) mittels der Schließvorrichtungen 33 wieder geschlossen.
In einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kristallabscheider 3 eine oder mehrere Fördervorrichtungen 33, die in einem unteren Bereich des einen beziehungsweise der mehreren Sedimentationsbecken (32, 34) angeordnet sind. Die Fördervorrichtungen 33 sind vorzugsweise als Zellradschleusen ausgebildet und begrenzen in Ruhestellung das Volumen des mindestens einen Sedimentationsbeckens (32, 34). Bei Verwendung einer oder mehrerer Zellradschleusen sind separat ausgebildete Sedimentationsbecken nicht erforderlich. Anstelle der Sedimentationsbecken kann ein von Schaufeln der Zellradschleuse begrenztes, dem Behälter 20 zugewandtes Volumen für die Akkumulation von sedimentierten Kristallen benutzt werden.
Zur Ausbringung der akkumulierten Kristalle werden die Fördervorrichtungen 33 betätigt, wobei der Inhalt der Sedimentationsbecken (32, 34) beziehungsweise eines Teilvolumens einer oder mehrerer Zellradschleusen, unterstützt durch aus dem Behälter 20 einströmendes Abwasser abgeführt wird. Nach erfolgter Entladung werden die Sedimentationsbecken (32, 34) mittels der Fördervorrichtungen 33 wieder geschlossen. Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen zeitgetakteten Betrieb ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Fördervorrichtungen 33 kontinuierlich zu betreiben mit konstanter oder durch eine elektronische Steuerung geregelter Förderrate für Kristalle.
Die Tiefe des mindestens einen Sedimentationsbecken (32, 34) bei geschlossener Schließvorichtung 33 ist größer als 4 cm, vorzugsweise größer als 20 cm und insbesondere größer als 40 cm. Hierin bezeichnet der Begriff ”Tiefe” den vertikalen Abstand zwischen dem Boden beziehungsweise zwischen der Schließ- oder Fördervorrichtung 33 des Sedimentationsbeckens (32, 34) und einem Aufpunkt, der durch Flächeninterpolation der dem Inneren des Behälters 20 zugewandten Oberfläche des Bodens 28 erhalten wird.
Die in dem Kristallisationsreaktor 2 induzierte Umlaufströmung 21' wird in einem unteren Bereich des Behälters 20 umgelenkt. Das Abwasser mit den suspendierten Kristallen strömt über den geneigten Boden 28 und die Mündungsöffnung des mindestens einen Sedimentationsbeckens (32, 34) in mehr oder minder radialer Richtung von dem Rand des Bodens 28 nach innen zu dem zentrisch angeordneten Einlass 24. Hierbei sinken einige der in dem Abwasser mitgeführten Kristalle aufgrund ihrer im Vergleich zu Wasser hohen Dichte von größer 1,5 g/cm³ nach unten und setzen sich in dem mindestens einen Sedimentationsbecken (32, 34) ab. Je nach Gewichtsanteil (g/l) und Größe der Kristalle, Stromdichte und Turbulenz der Umlaufströmung 21' sowie des Volumens der Sedimentationsbecken (32, 34) sind letztere nach einem Zeitintervall von 1 min bis zu 60 min zu 50 bis 95 Vol.-% mit Kristallen gefüllt. Die verbleibenden 5 bis 50 Vol.-% der Sedimentationsbecken (32, 34) sind mit Abwasser sowie gegebenenfalls anderen, in dem Abwasser enthaltenen Feststoffen gefüllt. Bei mehr oder minder konstanter Zusammensetzung des Abwassers und konstanten Betriebsbedingungen variiert die Kristallfüllrate (Vol.-%/min) der Sedimentationsbecken (32, 34) nur geringfügig. Dementsprechend kann durch zeitlich getaktete Entladung der Sedimentationsbecken (32, 34) die Förderrate (kg/h) für Kristalle aus dem Kristallisationsreaktor 2 mit guter Genauigkeit geregelt werden. Die Bildungsrate für Phosphor-haltige Kristalle ist proportional zu deren Mengenanteil im Reaktionsreaktor 2. Für einen stabilen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Förderrate (kg/h) für Kristalle an deren Bildungsrate im Kristallisationsreaktor 2 angeglichen, so dass der Anteil der im Kristallisationsreaktor 2 enthaltenen Kristalle konstant ist. In diesem quasi-stationären Betriebszustand ist die Phosphor-Bilanz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeglichen, d. h. dass die molare Masse des in kristalliner Form ausgebrachten Phosphors mit der Molmasse des im zugeführten Abwasser enthaltenen Phosphors überein stimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, die Förderrate für Kristalle in weiten Bereichen an die Flussrate des Abwassers anzupassen und somit eine effiziente Phosphor-Extraktion zu erzielen.
7 zeigt eine partielle Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kristallabscheiders mit einem oder mehreren siphonartig gestalteten Sedimentationsbecken (32, 34). Ein erster Schenkel 32 des mindestens einen siphonartigen Sedimentationsbecken (32, 34) mündet in einen Boden 28 eines vorstehend in Verbindung mit 5 und 6 beschriebenen Behälters 20 eines Kristallisationsreaktors 2. Die Sedimentationsbecken (32, 34) gemäß 7 umfassen eine Ableitung beziehungsweise einen zweiten Schenkel 32/37 mit einem ansteigenden Abschnitt mit einem Neigungswinkel gegenüber einer vertikalen Richtung von 0 bis 30 Grad. Über eine Zuleitung 35 ist ein in 7 nicht gezeigter Fluidantrieb an einen unteren Bereich des ansteigenden Abschnitts des zweiten Schenkels 32/37 angeschlossen. Vorzugsweise ist der Fluidantrieb ein Gebläse oder ein Kompressor, welcher in Verbindung mit dem zweiten Schenkel 32/37 eine Gasheberpumpe bildet.
Bei ausgeschaltetem Gebläse oder Kompressor werden Kristalle, die in das Sedimentationsbecken (32, 34) gelangen, in dem siphonartigen Übergang zwischen dem ersten Schenkel 32 und dem zweiten Schenkel 32/37 akkumuliert. Im Gegensatz zu dem vorstehend in Verbindung mit 6 beschriebenen Kristallabscheider 3 umfasst der in 7 dargestellte Kristallabscheider keine stellbare Schließvorrichtung, Fördervorrichtung oder Zellradschleuse.
Aufgrund mechanischer Verblockung ist die Menge der in dem siphonartigen Abschnitt des Sedimentationsbeckens (32, 34) akkumulierten Kristalle auf einen festen Wert begrenzt. Dementsprechend fungiert das Sedimentationsbecken (32, 34) als Akkumulator mit festgelegter Volumenkapazität für Kristalle sowie gegebenenfalls weitere in dem Abwasser enthaltene Feststoffe. Zur Ausbringung der in dem Sedimentationsbecken (32, 34) akkumulierten Kristalle, wird der über die Zuleitung 35 verbundene Fluidantrieb betätigt. Wie vorstehend in Verbindung mit 6 dargelegt, kann durch zeitgetakteten Betrieb des Fluidantriebs die Förderrate (kg/h) für die Ausbringung der Kristalle aus dem Sedimentationsbecken (32, 34) und damit aus dem Abwasser im Kristallisationsreaktor mit guter Genauigkeit geregelt werden. Alternativ hierzu ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, den über die Zuleitung 35 angeschlossenen Fluidantrieb kontinuierlich zu betreiben. Insbesondere ist vorgesehen, den über die Zuleitung 35 angeschlossenen Fluidantrieb mittels einer elektronischen Steuerung zu regeln, wobei die Förderrate (kg/h) für die Ausbringung der Kristalle aus dem Sedimentationsbecken (32, 34) gemäß den Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere gemäß der Phosphatbilanz eingestellt wird.
Der in 7 gezeigte erfindungsgemäße Kristallabscheider ermöglicht es, die Förderrate für Kristalle in weiten Bereichen an die Flussrate des Abwassers anzupassen und somit eine effiziente Phosphor-Extraktion zu erzielen. Zudem arbeitet der in 7 gezeigte Kristallabscheider ohne mechanische Schließvorrichtung, Fördervorrichtung oder Zellradschleuse, so dass mechanische Stellglieder entfallen und Verschleiß aufgrund von Abrasion weitgehend vermieden wird.
8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 500 mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2 und einem Kristallabscheider mit einem siphonartig ausgebildeten Sedimentationsbecken 32/34 und einer Ableitung 37, die über eine Zuleitung 35 und ein Zwei- oder Mehrwegeventil 39 mit einem Lüfter oder Kompressor 22 verbunden ist. Im Übrigen bezeichnen die Bezugszeichen der 8 die gleichen technischen Merkmale, die vorstehend in Verbindung mit den Vorrichtungen 100 und 400 der 2, beziehungsweise der 5 beschrieben sind. Der in 8 gezeigte Kristallabscheider hat den in Verbindung mit 7 beschriebenen Aufbau.
Der Lüfter oder Kompressor 22 ist über eine Zuleitung 23 mit einem Einlass 24 eines Behälters 20 des Kristallisationsreaktors 2 verbunden. Der Einlass 24 ist vorzugsweise in einem unteren Bereich des Behälters 20 angeordnet.
In der Zuleitung 23 ist das Zwei- oder Mehrwegeventil 39 angeordnet. Von dem Zweiwegeventil 39 führt die Zuleitung 35 zu einem aufsteigenden Schenkel des siphonartig ausgebildeten Sedimentationsbeckens 32/34. Vorzugsweise ist die Zuleitung 35 mit einem, in 8 nicht gezeigten Siphon und/oder einem Filter oder Sieb für Kristalle ausgestattet. Durch den Siphon, den Filter und/oder das Sieb in der Zuleitung 35 wird das Zwei- oder Mehrwegeventil 39 von Kristallen abgeschirmt und abrasiver Verschleiß vermieden. Gleichermaßen ist im Rahmen der Erfindung ein in 8 nicht gezeigter Siphon, ein Filter und/oder ein Sieb vorgesehen, das in der Zuleitung 23 zwischen dem Einlass 24 und dem Zwei- oder Mehrwegeventil 39 angeordnet ist und letzteres vor Kristallen abschirmt und abrasiven Verschleiß verhindert.
In einer ersten Stellung des Zwei- oder Mehrwegeventils 39 wird durch den Einlass 24 Luft in den Behälter 20 eingetragen und eine Umlaufströmung 21' induziert. In einer zweiten Stellung des Zwei- oder Mehrwegeventils 39 wird Luft in den aufsteigenden Schenkel des siphonartig ausgebildeten Sedimentationsbeckens 32/34 eingetragen und in dem Sedimentationsbecken 32/34 enthaltene Kristalle gefördert. Der Lüfter oder Kompressor 22 bildet in Verbindung mit den Zuleitungen 23 und 35 und dem Zwei- oder Mehrwegeventil 39 eine schaltbare Gasheberpumpe, die je nach Stellung des Zwei- oder Mehrwegeventils 39 die Umlaufströmung 21' in dem Kristallisationsreaktor 2 induziert oder als Fördervorrichtung für den Kristallabscheider fungiert. Der in 8 gezeigte erfindungsgemäße Kristallabscheider hat einen einfachen und kostengünstigen Aufbau mit geringer Anfälligkeit für abrasiven Verschleiß.
9 zeigt ein Blockdiagramm einer elektronischen Steuerung für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Gasabscheider 1, einem Kristallisationsreaktor 2, einem Kristallabscheider 3, einem ersten Vorlagebehälter 4 für eine basische Substanz, wie beispielsweise Natronlauge und einem zweiten Vorlagebehälter 5 für eine Magnesium-haltige Substanz, insbesondere für eine Magnesium-haltige Lösung.
Die Vorrichtung wird mittels einer elektronischen Steuerung 6 gesteuert. Die elektronische Steuerung 6 ist vorzugweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder als PC-basierte Softwaresteuerung beziehungsweise als Soft-SPS implementiert.
Der Vorlagebehälter 4 für die basische Substanz ist über eine Ableitung 41 mit dem Kristallisationsreaktor 2 verbunden. Die Ableitung 41 ist mit einem elektrisch stellbaren Drosselventil 61 ausgerüstet. Ein elektrischer Eingang des Drosselventils 61 ist mit einem Ausgang der elektrischen Steuerung 6 verbunden. Dementsprechend kann mittels der Steuerung 6 und des Drosselventils 61 der Fluß der basischen Substanz von dem Vorlagebehälter 4 durch die Ableitung 41 zu dem Kristallisationsbehälter 2 geregelt werden. Zweckmäßig ist der Vorlagebehälter 4 zudem über eine weitere, mit einem elektrisch stellbaren Drosselventil 62 ausgerüstete Ableitung 42 mit dem Gasabscheider 1 verbunden. Ein elektrischer Eingang des Drosselventils 62 ist mit einem Ausgang der elektronischen Steuerung 6 verbunden.
Der Vorlagebehälter 5 für eine Magnesium-haltige Lösung ist über eine Ableitung 51 mit dem Kristallisationsreaktor 2 verbunden. Die Ableitung 51 ist mit einem elektrisch stellbaren Drosselventil 63 ausgerüstet. Ein elektrischer Eingang des Drosselventils 63 ist mit einem Ausgang der elektronischen Steuerung 6 verbunden. Dementsprechend kann mittels der Steuerung 6 und des Drosselventils 63 der Flus der Magnesium-haltigen Lösung von dem Vorlagebehälter 5 durch die Ableitung 51 zu dem Kristallisationsbehälter 2 geregelt werden.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kristallisationsreaktor 2 eine, mit einem elektrisch stellbaren Drosselventil 64 ausgerüstete Ableitung 27 für Abwasser. Ein elektrischer Eingang des Drosselventils 63 ist mit einem Ausgang der elektronischen Steuerung 6 verbunden. Dementsprechend kann mittels der Steuerung 6 und des Drosselventils 64 der Fluss durch beziehungsweise die hydraulische Aufenthaltszeit des Abwassers in dem Kristallisationsreaktor 2 geregelt werden.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird der Fluss der Natronlauge und der Magnesium-haltigen Substanz durch regelbare elektrische Dosierpumpen erzeugt.
Der Kristallisationsreaktor 2 umfasst vorzugsweise einen pH-Sensor 65 und/oder einen Phosphat-Sensor 66. Bei dem pH-Sensor 65 und dem Phosphat-Sensor 66 handelt es sich beispielsweise um Geräte des Typs Ceramax CPS341D, respektive des Typs Stamolys CA71PH der Firma Endress + Hauser.
Der pH-Sensor 65 und der Phosphat-Sensor 66 sind insbesondere für die kontinuierliche in-situ Bestimmung des pH-Wertes und des Phosphatgehaltes ausgelegt. Ein elektrischer Ausgang des pH-Sensors 65 und ein elektrischer Ausgang des Phosphat-Sensors 66 sind jeweils mit einem Eingang der elektronischen Steuerung 6 verbunden. Dementsprechend werden der pH-Wert und der Phosphat-Gehalt des in dem Kristallisationsreaktor 2 enthaltenen Abwassers kontinuierlich erfasst und stehen zur Verfügung als Eingangswerte für die Berechnung von Stellwerten für die Drosselventile 61, 62, 63 sowie gegebenenfalls 64.
Der Kristallisationsreaktor 2 ist über eine Zuleitung 23 mit einem Lüfter oder Kompressor 22 verbunden. In der Zuleitung 23 ist ein Zwei- oder Mehrwegeventil 39 angeordnet. Von dem Zwei- oder Mehrwegeventil 39 führt eine Zuleitung 35 zu dem Kristallabscheider 3. Ein elektrischer Eingang des Zwei- oder Mehrwegeventils 39 ist mit einem Ausgang der elektronischen Steuerung 6 verbunden. In einer ersten Stellung des Zwei- oder Mehrwegeventils 39 wird die von dem Lüfter oder Kompressor 22 erzeugte Druckluft in den Kristallisationsreaktor 2 geleitet. In einer zweiten Stellung des Zwei- oder Mehrwegeventils 39 wird die von dem Lüfter oder Kompressor 22 erzeugte Druckluft in den Kristallabscheider 3 geleitet, um die darin akkumulierten Kristalle über die Ableitung 37 zu entladen. Der Kristallabscheider 3 hat eine fest vorgegebene Aufnahmekapazität für Kristalle von beispielsweise 4000 cm³. Durch wiederholte Entladung der in dem Kristallabscheider 3 akkumulierten Kristalle nach fest vorgegebenen oder dynamisch berechneten Zeitintervallen kann die mittlere Menge der pro Zeiteinheit aus dem Kristallisationsreaktor 2 abgeführten Kristalle (kg/h) innerhalb bestimmter Grenzen geregelt werden. Im quasi-stationären Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Entnahmerate (kg/h) für Kristalle an deren Bildungsrate im Kristallisationsreaktor 2 angeglichen, so dass der Anteil der im Kristallisationsreaktor 2 enthaltenen Kristalle konstant ist. In diesem quasi-stationären Betriebszustand ist die Phosphor-Bilanz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeglichen, d. h. dass die molare Masse des in kristalliner Form entnommenen Phosphors mit der Molmasse des im zugeführten Abwasser enthaltenen Phosphors überein stimmt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, die Förderrate für Kristalle in weiten Bereichen an die Flussrate des Abwassers anzupassen und somit eine effiziente Phosphor-Extraktion zu erzielen.
Insbesondere wird als Eingangswert für die variable Berechnung der Zeitpunkte für die Entladung des Kristallabscheiders 3 das Signal des Phosphat-Sensors 66 verwandt. Zweckmäßig werden in der elektronischen Steuerung 6 die Zeitpunkte für die Entladung des Kristallabscheiders 3 mittels eines PID-Regelalgorithmus berechnet.
Bezugszeichenliste

1: Gasabscheider
10: Gasabscheider: Abwasserzuleitung
11: Gasabscheider: Abwasserableitung
12: Gasabscheider: Behälter
13: Gasabscheider: Gasableitung
14: Gasabscheider: Vakuumpumpe oder Unterdruckgebläse
15: Gasabscheider: Rieselkolonne
16: Gasabscheider: Lüfter
17: Gasabscheider: Zuleitung für Druckluft
18: Gasabscheider: Rührer
2: Kristallisationsreaktor
20: Kristallisationsreaktor: Behälter
21: Kristallisationsreaktor: Strömungsblende
21': Kristallisationsreaktor: Strömungspfeile
22: Kristallisationsreaktor: Lüfter oder Kompressor
22': Kristallisationsreaktor: suspendierte Kristalle
23: Kristallisationsreaktor: Zuleitung für Druckluft
24: Kristallisationsreaktor: Lufteinlass
25: Kristallisationsreaktor: Ableitung für Luft und Gase
26: Kristallisationsreaktor: Ableitung für Abwasser und Kristalle
27: Kristallisationsreaktor: Ableitung für Abwasser
29: Kristallisationsreaktor: Fluidpumpe
29': Kristallisationsreaktor: Ableitung für Abwasser zur Fluidpumpe 29
3: Kristallabscheider
32: Kristallabscheider: Sedimentationsbecken Wandung
33: Kristallabscheider: Schließvorrichtung oder Zellradschleuse
34: Kristallabscheider: Sedimentationsbecken
35: Kristallabscheider: Zuleitung für Druckluft
36: Kristallabscheider: Ableitung für Abwasser
37: Kristallabscheider: Ableitung für Kristalle
38: Kristallabscheider: Ableitung für Rückführung von Kristallen
39: Kristallabscheider: Zwei- oder Mehrwegeventil
4: Erster Vorlagebehälter für Lauge
41: Erster Vorlagebehälter: Ableitung zum Kristallisationsreaktor
42: Erster Vorlagebehälter: Ableitung zum Gasabscheider
5: Zweiter Vorlagebehälter für Magnesium-haltige Substanz
51: Zweiter Vorlagebehälter: Ableitung zum Kristallisationsreaktor
6: Elektronische Steuerung
61: Drosselventil
62: Drosselventil
63: Drosselventil
64: Drosselventil
65: pH-Sensor
66: Phosphat-Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011016826 A1 [0008]
EP 1496010 [0009]
WO 2014/003554 A1 [0010]
EP 1786733 B1 [0011]
WO 2008/115758 A1 [0012]
DE 102007035910 B4 [0013]
DE 102011112780 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Der Schutz der Gewässer vor Nährstoffeinträgen sowie Schadstoffen soll verstärkt und rechtlich so gestaltet werden, dass Fehlentwicklungen korrigiert werden. Wir werden die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurückgewinnen.” (CDU, 2013) [0004]
Ehbrecht, Fuderer, Schönauer, & Schuhmann, 2012 [0004]
United Nations Framework Convention on Climate Change, 2014 [0015]

Claims

Vorrichtung für die Extraktion von Phosphor aus Abwasser mit einem Kristallisationsreaktor für die Bildung von phosphorhaltigen Kristallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gasabscheider zur Entgasung des Abwassers umfasst, ein Auslass des Gasabscheiders über eine Fluidleitung mit einem Einlass des Kristallisationsreaktors verbunden ist und der Gasabscheider eine Unterdruckvorrichtung, eine Umwälzvorrichtung, eine Rieselkolonne und/oder einen Belüfter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationsreaktor einen Behälter und einen Fluidantrieb zur Erzeugung einer Umlaufströmung in dem Behälter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidantrieb eine Gasheberpumpe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Kristallabscheider mit einem oder mehreren Sedimentationsbecken und einer oder mehreren Ableitungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Boden des Behälters des Kristallisationsreaktors konkav ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Behälters des Kristallisationsreaktors eine sphärische, elliptische oder kegelförmige Kontur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Behälters des Kristallisationsreaktors einen zentrisch angeordneten Einlass aufweist und der Fluidantrieb an den Einlass angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallabscheider eine Fördervorrichtung für Kristalle umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung für Kristalle eine Gasheberpumpe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen ersten Vorlagebehälter für ein basisches Reagenz und eine erste Dosiervorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zweiten Vorlagebehälter für ein Magnesium-haltiges Reagenz und eine zweite Dosiervorrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen oder mehrere pH-Sensoren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen oder mehrere Phosphat-Sensoren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine elektronische Steuerung umfasst, wobei die Fluidantriebe, die Dosiervorrichtungen, die pH-Sensoren und/oder die Phosphat-Sensoren an die elektronische Steuerung angeschlossen sind.
Verfahren für die Extraktion von Phosphor aus Abwasser, dadurch gekennzeichnet, dass – das Abwasser in einem Gasabscheider mittels Unterdruck, Umwälzung, Rieselentgasung und/oder Belüftung entgast und das entgaste Abwasser einem Kristallisationsreaktor zugeführt wird; – in dem Kristallisationsreaktor eine Umlaufströmung induziert und das in dem Abwasser enthaltene Phosphat in kristalliner Form gefällt wird; – ein Teil, der in dem Kristallisationsreaktor gebildeten Kristalle mittels eines Kristallabscheiders abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge der in dem Kristallisationsreaktor gebildeten Kristalle zeitgesteuert entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Kristallisationsrekator zugeführte Abwasser einen Gehalt an Kohlendioxid von ≤ 1 g/l aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Kristallisationsrekator zugeführte Abwasser einen Gehalt an Methan von ≤ 0.015 g/l aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser in dem Kristallisationsreaktor einen Gehalt an Phosphat von ≤ 0,04 g/l aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Aufenthaltszeit des Abwassers in dem Kristallisationsreaktor 4 bis 16 h beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17, 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwasser in dem Kristallisationsreaktor 60 bis 200 g/l Struvit enthält.