Säurekapazität in der Kläranlage
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LV Bayern, Besprechung der Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaft 2014 Säurekapazität in der Belebung einer Kläranlage Dipl.-Ing. Annette Schlicher, Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd, Regionalstelle Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Neustadt a. d. Weinstraße Besprechung der Lehrer der bayerischen Kanal- und KläranlagenNachbarschaften, 12./13. 02. 2014 Landshut LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 • Säurekapazität ? • Karbonathärte ? • Säurebindungsvermögen ? • pH- Wert ? LV Bayern, Besprechung der Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaft 2014 • Definitionen und Bestimmung LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Definitionen und Bestimmung pH-Wert pH = - log [ H+ Konzentration] pH = 8 bedeutet 10-8 = 0,00000001 mol/L H + Ionen pH = 2 bedeutet 10-2 = 0,01 mol/l H + Ionen LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Bestimmung der Säurekapazität durch Titrieren LV Bayern, Besprechung der Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaft 2014 Beschreibung aus dem Grundkurs DWA Kläranlagennachbarschaft Bestimmung der Säurekapazität KS 4,3 Probenahme Belebung (Nitrifikation) filtriert mit Faltenfilter Durchführung 100 ml Abwasserprobe werden mit 0,1-molarer Salzsäure (HCl) bis zu einem pH-Wert von 4,3 titriert. Dieser Wert muss länger als 2 Minuten bestehen. Der Verbrauch an HCl entspricht der Säurekapazität in mmol/l. Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Bestimmung durch Schnelltest • LCK362 • Säurekapazität Ks 4,3 Küvetten-Test Messbereich 0,5 - 8 mmol/l LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Was bewirkt die Säurekapazität im Abwasserreinigungsprozess? LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität Ks = Puffer • Was ist ein Puffer? • Woraus besteht der Puffer im Abwasser? LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität Ks = Puffer • Puffer: Bestreben einer Lösung bei Zugabe von Säure oder Lauge den pHWert konstant zuhalten. • Im Abwasser wesentlich: Kohlensäure – Puffer LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Kohlensäure-Puffer Kohlensäure kommt im Abwasser in verschiedenen Formen vor: CO2 (aq) + H2O H+ + HCO3HCO3- H+ + CO32- LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Abhängigkeit der Kohlensäure-Ionenkonzentration vom pH-Wert 100 Stoffmengenanteil [%] 90 80 HCO3- CO2 + H2O 70 CO32- (H2CO3) 60 50 40 30 20 10 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH-Wert Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Beispiel der Unterschiedlichkeit der Säurekapazität im Abwasser (Spens, Vedewa, Stuttgart 1992) LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Einheiten Parameter Dimension Umrechnung Säurekapazität KS mmol/l 1 Hydrogencarbonat HCO3 mg/l 61 o 2,8 Deutsche Härte dH LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität in der Kläranlage • Wie kommt der Puffer/die Säurekapazität im Abwasser zustande ? • Welche biologischen und chemischen Vorgänge beeinflussen ihn? DWA Kläranlagennachbarschaft Säurekapazität in der Kläranlage Fällmittel Belebung Ks4,3 KA-Zulauf Nachklärung Ablauf DeNi ÜS NI RS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität im Kläranlagenzulauf: Ks4,3 des Trinkwassers (1 – 5 mmol/L) Reinigungsmittel Haushalt (≈ 2 mmol/L) Hydrolyse von org. Stickstoff org. geb.N → NH4++ HCO3(50 mg/l NH4+ umgew. ergeben 3,5 mmol Ks4,3 ) LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Trinkwassergewinnung in der Südpfalz LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität im Kläranlagenzulauf Trinkwasser • Wasserwerk Kuhardt 15,5°dH = 5,5 mmol/L, hart, pH 7,47 • Wasserwerk Germersheim 14,8°dH = 5,2 mmol/L, hart, pH 7,76 • Wasserwerk Kaiserslautern: 4,21°dH = 0,75 mmol/L, weich • Trinkwasser Landshut Ges.härte 20,2°dH = 7,2 mmol/L, hart, pH 7,24 LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität im Kläranlagenzulauf: Ks4,3 des Trinkwassers (1 – 5 mmol/L) Reinigungsmittel Haushalt (≈ 2 mmol/L) Hydrolyse von org. Stickstoff org.geb.N → NH4++ HCO3(50 mg/l NH4-N umgewandelt 3,5 mmol Ks4,3 )1) 1) Karl Svardal, Institut für Wassergüte und Abfallwirtschaft, Technische Universität Wien; Chemische-physikalische Gleichgewichte und ihre praktische Bedeutung für den Betrieb von Abwasserreinigungsanlagen LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität Kläranlagenzulauf – Hydrolyse von org. N org. geb. N → NH4++ HCO3(50 mg/l NH4 umgew. 3,5 mmol/L Ks4,3 ) • GKA Rülzheim : NH4-N Zulauf: 34 mg/L 2,4 mmol/L • KA Germersheim: NH4-N Zulauf: 43 mg/L 3,0 mmol/L LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität Kläranlagenzulauf KA-Zulauf Säurekapazit ät [mmol/L] Säurekapazität [mmol/L] Säurekapazität [mmol/L] Säurekapazität [mmol/L] Säurekapazität [mmol/L] Trinkwasser Hydrolyse N org. (rechn.) Reinigungsmitt el (Literatur.) Summe (rechn.) gemessen im KA-Zulauf Rülzheim 5,5 2,4 2 9,9 10,7 Germersheim 5,2 3,0 2 10,2 12,6 DWA Kläranlagennachbarschaft Säurekapazität in der Kläranlage Fällmittel Ks4,3 Ks4,3 Nachklärung Ablauf DeNi ÜS Nitri RS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Änderung Säurekapazität durch Denitrifikation NO3- + CO2 + 0,5 H2O → 0,5 N2 + 2,5 O + HCO3Stoffmengenanteil [%] 100 90 80 HCO3- CO2 + H2O 70 (H2CO3) CO32- Aufbau Säurekapazität 60 OH- 50 OH- 40 Abnahme CO2 30 20 10 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH-Wert Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Änderung Säurekapazität durch Nitrifikation NH4++ 2 O2 + 2 HCO3- → NO3- + 2 CO2 + 3 H2O Stoffmengenanteil [%] 100 H+ 90 80 HCO3- CO2 + H2O 70 (H2CO3) CO32- Abbau Säurekapazität 60 50 40 Zunahme CO2 30 20 10 H+ 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH-Wert Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Änderung der Säurekapazität durch biologische Reaktionen Prozess Säurekapazität Nitrifikation pro 1 kg Nnitrifiziert - 0,14 mmol/L Denitrifikation von 1 kg Ndenitrifiziert + 0,07 mmol/L DWA Kläranlagennachbarschaft Säurekapazität im Verlauf der Abwasserreinigung Fällmittel Nachklärung Ablauf Ks4,3 DeNi ÜS Nitri RS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Änderung der Säurekapazität in der Belebung durch chemische Fällung • Me3+ + H2PO4- MePO4 +2 H+ • Me3+ + HPO42- MePO4 + H+ • Durch Überdosierung des Fällmittels • Me3+ + H20 Me (OH)3 + 3 H+ LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Änderung Säurekapazität durch saure Fällmittel Me3+ + H2PO4- MePO4 +2 H+ 2 H+ + 2 HCO3- H2O + CO2 Stoffmengenanteil [%] 100 H+ 90 80 HCO3- CO2 + H2O 70 (H2CO3) CO32- Abbau Säurekapazität 60 50 40 Zunahme CO2 30 20 10 H+ 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 pH-Wert Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Änderung der Säurekapazität in der Belebung durch chemische Fällung Kalk oder auch alkalische Fällmittel heben die Säurekapazität an. DWA Kläranlagennachbarschaft Einfluss der P- Elimination auf die Säurekapazität 3 2 KS4,3[mmol/l] 1 0,36 0 -0,35 -0,36 -0,29 -1 -2 -3 -4 Fe3+ für 5 mg P/l Al3+ für 5 mg P/l PAC für 5 mg P/l NaAl(OH)4 für 5 mg P/l -5 Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS DWA Kläranlagennachbarschaft Einfluss der P- und Nitrifikation auf die Säurekapazität 3 2 KS4,3 [mmol/l] 1 0,36 0 -0,35 -0,36 -0,29 -1 Nitri von 30 mg NH4-N/l -2 -3 -4 -4,29 Fe3+ für 5 mg P/l Al3+ für 5 mg P/l PAC für 5 mg P/l NaAl(OH)4 für 5 mg P/l -5 Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS DWA Kläranlagennachbarschaft Einfluss der P- und N-Elimination auf die Säurekapazität 3 2,2 2 KS4,3 [mmol/l] 1 0,36 0 -0,35 -0,36 -0,29 -1 NI von 30 mg NH4-N/l -2 DN von 30 mg NO3-N/l -3 -4 -4,29 Fe3+ für 5 mg P/l Al3+ für 5 mg P/l PAC für 5 mg P/l NaAl(OH)4 für 5 mg P/l -5 Folie aus : „Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in der biologischen Abwasserreinigung“, Fa. KRONOS LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Wie viel Säurekapazität muss sein? • Kritisch: Säurekapazität < 2 mmol/L DWA Kläranlagennachbarschaft Folgen zu geringer Säurekapazität - Schädigung der Flocke - Wachstumsvorteile für Fadenbakterien - Reduzierung von Reaktionsgeschwindigkeiten - Betonkorrosion LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Folgen zu geringer Säurekapazität – Schädigung der Flocke (aus „Zur Nitrifikation von Abwässern mit geringer Säurekapazität“, Teichgräber, Essen, KA 2,91) LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Säurekapazität und NH4-Abbau (aus „Einfluss der Säurekapazität auf die Abbauleistung biol. Abwasserreinigungsanlagen“, Schönherr et. al , Universität der Bundeswehr München, 2007) LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Betonkorrosion LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Maßnahmen bei zu geringer Säurekapazität • Denitrifikation erhöhen • Dosierung von Alkalien • Wahl des Fällmittels LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Fotos aus dem praktischen Teil der NB-Veranstaltung LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 LV Bayern, Besprechung Lehrer Kläranlagen-Nachbarschaften 2014 Danke für ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Annette Schlicher Regionalstelle Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz STRUKTUR- UND GENEHMIGUNGSDIREKTION SÜD Karl-Helfferich-Straße 22; 67433 Neustadt Telefon 06321 99-4104; Telefax 06321 99-4222 [email protected]
