DE10207611A1 - Verfahren zur Ausfällung von Phosphaten - Google Patents

Abstract

Zur Fällung von Phosphaten aus Abwässern wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Kathoden-Anoden-Anordnung benutzt wird. Nach dem Verbrauch der Opferanode wird diese ersetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausfällung von Phosphaten aus Abwässern, insbesondere von Klärwerken mit Hilfe von Kationen, wobei die Kationen mit den Phosphaten eine schwerlösliche oder unlösliche Verbindung eingehen.

Phosphate gelangen hauptsächlich als Düngerückstände ins Was­ ser, aber auch Waschmittel und Fäkalien versetzen Abwässer mit Phosphaten. Da Phosphate als Planzennährstoffe wirken - daher ihre Verwendung als Düngemittel - müssen sie aus Abwässern entfernt werden. In Kläranlagen geschieht das beispielsweise durch Zugabe von löslichen Metallsalzen, wie Eisensulfat oder Aluminiumchlorid, die Phosphate als schwerlösliche Eisen- oder Aluminiumverbindungen ausfällen. Ein Nachteil bei dieser Methode besteht darin, daß eine größere Menge der oben ge­ nannten Salze in die Abwässer gelangt, was unerwünscht ist. Ein weiteres Verfahren zur Phosphatentfernung wird mit Hilfe von Bindung in Bakterien erreicht. Allerdings lässt sich ein solches Verfahren nur in größeren technischen Anlagen stabil durchführen.

Weitere Stoffe zur Entfernung von Phosphaten aus Abwässern, insbesondere bei Bodenkörperkläranlagen, sind Tonmineralien und Kalziumverbindungen, die eine Phosphatausfällung im Bodenkörper erreichen. Allerdings hat dieses Verfahren auch Nachteile, da es von verschiedenen Faktoren, wie Sauerstoffgehalt, Tempera­ tur, pH-Wert, Redoxpotential usw. abhängig ist.

Die Erfindung hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Ausfällung von Phosphaten aus Abwässern vorzu­ sehen, bei dem eine zusätzliche Belastung des Abwassers unter­ bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus, von einem Verfahren wie oben beschrieben und schlägt vor, daß die Kationen von einer Opferanode zur Verfügung gestellt werden, wobei diese in Lösung geht.

Mit Hilfe einer solchen Opferanode können im Abwasser Kationen erzeugt werden, ohne dieses mit weiteren Salzen zu verun­ reinigen. Das bedeutet eine geringere Belastung der Abwässer. Überraschenderweise ergibt es sich hierbei, daß das erfindungs­ gemäße Verfahren unabhängig von äußeren Einflüssen ist. Eine stabile Prozeßführung ist bereits bei kleineren Kläranlagen möglich, das Verfahren ist auch weitestgehend unabhängig von anderen Parametern wie Sauerstoffgehalt, Temperatur und so weiter. Im Ergebnis wird neben einer geringeren Salzbelastung der abfließenden, ausgefällten Gewässer auch ein prozeß­ stabileres, erfindungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Kathode verwendet, die aus einem edleren, in der Spannungsreihe höher stehenden Material, vorzugsweise Metall besteht, und wobei das unedlere Material der Opferanode in der Spannungsreihe niedriger steht. Es ergeben sich eine Vielzahl von möglichen Anordnungen von Opferanode und Kathode. Vorteilhafterweise wird ein billiges Material der Opferanode mit einem entsprechend höherwertigen, edleren, weil in der Spannungsreihe höherstehen­ den Material elektrisch leitend verbunden, um dieses zu schonen und den erfindungsgemäßen Effekt auszunutzen.

Dazu hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn Kathode und Opferanode miteinander in elektrisch leitenden Kontakt stehen. Dadurch ist sichergestellt, daß der Unterschied in der elektrochemischen Spannungsreihe auch den gewünschten Effekt, nämlich das Auflösen der Anode bringt. Als Elektrolyt fungiert in diesem Fall das Abwasser, in das Kathode und Opferanode eintauchen.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Kationen der Opferanode mit dem Phosphat einen schwerlöslichen Niederschlag bilden, der sich als Schlamm absetzt. Dieser Schlamm, der Bestandteil des Klärschlammes ist, kann mechanisch leicht entfernt werden und einer Wiederaufarbeitung oder Entsorgung zugeführt werden.

Die Erfindung betrifft weiter vorteilhafterweise eine Kathoden- Anoden-Anordnung für die Ausfüllung von Phosphaten in Abwäs­ sern, wobei die Kathode mit der als Opferanode ausgebildeten Anode in elektrisch leitendem Kontakt steht, und die Opferanode aus einem unedleren Material besteht, das in der Spannungsreihe unterhalb des edleren Materials der Kathode steht. Nach dem Verbrauch der Opferanode, die sich wie oben beschrieben im Abwasser auflöst, wird eine neue Opferanode eingesetzt und so die Anordnung wieder betriebsbereit gemacht. Die Herstellung einer entsprechenden Kathoden-Anoden-Anordnung ist vergleichs­ weise preisgünstig und wenig aufwendig. Insbesondere braucht die im Vergleich zur Anode teurere Kathode nicht ersetzt wer­ den.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Kathode aus Kupfer. Bei Kupfer handelt es sich um ein ver­ gleichsweise preisgünstiges Material, das sich für die edlere Kathode bestens eignet.

Günstig ist es, wenn die Opferanode aus Eisen besteht. Eisen steht in der elektrochemischen Spannungsreihe unterhalb des Kupfers, so daß einfach ein entsprechendes Potential aufgebaut werden kann, so daß Eisen als Opferanode in Lösung geht. Das ausgefällte Eisenphosphat ist relativ ungiftig und einfach zu entsorgen. Beim Ausfällungsvorgang fallen keine weiteren Salze oder andere Stoffe im Abwasser oder im Klärschlamm an.

Die Erfindung bezieht sich dabei nicht nur auf die Ausgestal­ tung der Kathoden-Anoden-Anordnung, sondern betrifft in gleicher Weise auch die Verwendung einer solchen Kathoden- Anoden-Anordnung.

Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Kläranlage für Abwässer, in welcher zur Ausfällung von Phosphaten ein Ver­ fahren, wie oben beschrieben, verwendet wird. Insbesondere ist es günstig, wenn hier eine solche Kathoden-Anoden-Anordnung im Abwasser vorgesehen ist, wobei eine derartige Kläranlage mit der Kathoden-Anoden-Anordnung eine Einheit bildet. Die anderen Stoffe werden auf herkömmliche Art aus dem Abwasser entsorgt, wobei für die Phosphatentfernung das oben beschriebene Ver­ fahren mit Hilfe der Kathoden-Anoden-Anordnung zum Einsatz kommt.

Insbesondere ist es günstig, wenn die Kläranlage eine Pflanzenkläranlage ist. Derartige Pflanzenkläranlagen lassen sich für kleinere Wohneinheiten oder für einzelne Häuser verwenden, wobei die Abwässer nach entsprechender Vorklärung in große mit Pflanzen bestandenen Becken geleitet werden. In diesen Becken sitzt die Kathoden-Anoden-Anordnung und entfernt die Phosphate aus den Abwässern.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Beispiel einer Kathoden-Anoden-Anordnung, sowie einer Kläranlage schematisch beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 einer perspektivische Ansicht einer Kathoden-Anoden-Anordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Fällungsvorganges;

Fig. 3 eine Pflanzenkläranlage mit Ka­ thoden-Anoden-Anordnung.

Zum Entfernen von anionischem Phosphat 2 aus dem Abwasser 3 wird in dieses die Kathoden-Anoden-Anordnung 30 eingebracht, wobei die Opferanode 10 aus Eisen und die Kathode 20 aus Kupfer besteht. Beide Metalle haben an der Kontaktfläche 7 direkten Kontakt miteinander, so daß ein Potential aufgebaut werden kann, das dazu führt, daß sich von der Opferanode 10 Eisen in ionischer Form löst. Das Eisen geht zunächst als Eisen-II+-Ion in Lösung, wird dann durch das umgebende Abwasser 3 zum Eisen- III+-Ion oxidiert und bildet mit dem Phospat 2 einen schwerlös­ lichen Niederschlag 4, der am Boden 8 der Kläranlage 5 als Klärschlamm 9 liegen bleibt. Der Niederschlag 4 besteht aus schwerlöslichem Eisen-III-Phosphat 31, wobei die Niederschlags­ richtung durch den Pfeil 32 angedeutet ist.

Die frei werdenden Elektronen 11 verbinden sich mit den Wasser­ stoffionen 12 des Wassers zu elementarem Wasserstoff 13, der in Richtung der Pfeile 14 aus dem Abwasser 3 entweicht. Die Kationen, bei denen es sich um Eisen-II beziehungsweise Eisen- III-Ionen handelt, sind mit 1 bezeichnet und lösen sich in Richtung der Pfeile 15 aus der Eisenopferanode 10.

Nach dem vollständigen Auflösen der Opferanode 10 kann diese leicht ersetzt werden. Bei der Kupferkathode 20 handelt es sich beispielsweise um ein Kupferrohr, während als Eisen-Opferanode 10 eine Eisenplatte verwendet wird, wobei die Eisen-Opferanode 10 entsprechende seitliche Vorsprünge aufweist, die in das Rohr der Kupferkathode 20 elektrisch leitend eingreifen. Die Eisen­ platte ist zum Beispiels als normale, handelsübliche ST37- Platte ausgebildet, an dem Kupferrohr ist zum Beispiel ein Strick oder ein Seil befestigt, um dieses zum Tauschen der Kathoden-Anoden-Anordnung aus der Kläranlage zu bergen.

In der Fig. 3 ist eine Pflanzenkläranlage 6 gezeigt, bei der das Hauptbecken 60 ebenfalls die Kathoden-Anodenanordnung 30 aufweist. Das Hauptbecken 60 wird vom Zulauf 61 gespeist, der wiederum als Ablauf für den Vor- beziehungsweise Zwischen­ speicher 62 dient. Im Vor- beziehungsweise Zwischenspeicher 62 lassen sich gewisse Verunreinigungen schon durch Absetzen und Filtern herausholen.

Das Hauptbecken 60 ist mit Pflanzen 63 bestückt, die den Klärvorgang unterstützen. Die Kathoden-Anoden-Anordnung 30 funktioniert hier wie oben beschrieben und fällt aus dem anfallenden Abwasser 3 das Phosphat als Eisenphosphat 31 aus, wobei dieses als Niederschlag 4 am Boden 64 des Hauptbeckens liegen bleibt. Der Boden 64 des Hauptbeckens 60 ist weiter mit Rollkies 65 bestückt. Das Hauptbecken 60 wird über den Ablauf 66 entleert, wobei zur Kontrolle noch ein Kontrollbecken 67 vorgesehen ist, in dem die Abwässer auf Reinheit kontrolliert werden können. Schließlich gelangt das geklärte Abwasser durch einen weiteren Ablauf 68 in das freie Gewässer 69.

Die verschiedenen Vor- und Zwischenreinigungsschritte zum Entfernen der übrigen Schadstoffe aus dem Abwasser sind nicht weiter dargestellt.

Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.

Sollte sich hier bei näherer Prüfung, insbesondere auch des einschlägigen Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal für das Ziel der Erfindung zwar günstig, nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist.

Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Haupt­ anspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

Merkmale, die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.

Merkmale, die nur in der Beschreibung offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale aus Ansprüchen, die eine Mehrzahl von Merk­ malen umfassen, können jederzeit zur Abgrenzung vom Stande der Technik in den ersten Anspruch übernommen werden, und zwar auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merk­ malen erwähnt wurden beziehungsweise im Zusammenhang mit an­ deren Merkmalen besonders günstige Ergebnisse erreichen. Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung wei­ tergehenden Schutzes.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ausfällung von Phosphaten aus Abwässern, insbesondere von Klärwerken mit Hilfe von Kationen, wobei die Kationen mit den Phosphaten eine schwerlösliche oder unlösliche Verbindung eingehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen (1) von einer Opferanode (10) zur Ver­ fügung gestellt werden, wobei diese in Lösung geht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode (20) verwendet wird, die aus einem edleren, in der Spannungsreihe höher stehenden Material, vorzugs­ weise Metall, besteht und das Material der Opferanode (10) in der Spannungsreihe niedriger steht.

3. Verfahren nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (20) und die Opferanode (10) miteinander in elektrisch leiten­ den Kontakt stehen.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt die Abwässer (3) dienen, in die die Kathoden-Anoden-Anordnung (30) eintaucht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationen (1) der Opferanode (10) mit dem Phosphat (2) einen schwer­ löslichen Niederschlag (4) bilden, der sich als Schlamm (9) absetzt.

6. Kathoden-Anoden-Anordnung oder Verwendung einer Kathoden- Anoden-Anordnung für die Ausfällung von Phosphaten in Abwässern, wobei die Kathode (20) mit der als Opferanode (10) ausgebildeten Anode in elektrisch leitendem Kontakt steht und die Opferanode (10) aus einem unedleren Material besteht, das in der Spannungsreihe unterhalb des edleren Materials der Kathode (20) steht.

7. Kathoden-Anoden-Anordnung oder Verwendung einer Kathoden- Anoden-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (20) aus Kupfer besteht.

8. Kathoden-Anoden-Anordnung oder Verwendung einer Kathoden- Anoden-Anordnung nach einem oder beiden der vorhergehen­ den Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferanode (10) aus Eisen besteht.

9. Kläranlage für Abwässer, in welcher zur Ausfällung von Phosphaten ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird und/oder eine Kathoden- Anoden-Anordnung (30) nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8 im Abwasser (3) vorgesehen ist.

10. Kläranlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kläranlage (5) eine Pflanzenkläranlage ist.