A4 Kap 5.5.2 Fluechtige Organische Saeuren MH 2014
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Flüchtige organische Säuren Skript Kapitel 5.5.2, Seite 108 VSA_Kurs_A4 201409_V1_#1 Organische Säuren Schlammfaulung allgemein Die Schlammfaulung dient der Stabilisierung von Klärschlämmen Dazu wird eine anaerobe (sauerstofffreie) Atmosphäre benötigt Bei der Schlammfaulung werden bis über 50 % der organischen Bestandteile im Klärschlamm hauptsächlich zu CH4 (Methan) , CO2 und teilweise zu H2S oxidiert Der Restschlamm ist weitgehend geruchlos und lässt sich leicht entwässern Der biologische Prozess der Methangasbildung verläuft grob betrachtet in 4 Teilschritten ab: - Hydrolyse - Versäuerung - Acetogenese (Bildung von Essigsäure) - Methanogenese VSA_Kurs_A4 201409_V1_#2 Organische Säuren Prozess der Schlammfaulung – Methangasbildung (I) Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiss) 4 Abbauphasen 1. Hydrolyse - Phase Bruchstücke und gelöste Polymere 2. Versäuerungs - Phase H2 CO2 Organische Säuren Alkohole 3. Acetogene - Phase Essigsäure Wichtig: Messen der Temperatur und des pH – Wertes Vorsicht: Pufferkapazität !! 4. Methanogene - Phase Methan VSA_Kurs_A4 201409_V1_#3 Organische Säuren Prozess der Schlammfaulung - Methangasbildung Folgende Parameter können für die Beurteilung der Faulung gemessen werden: - Gehalt an organischen Säuren (Resultatangabe in mg/l Buttersäure oder Essigsäure) - pH- Wert - Temperatur - Glührückstand - Gas: CH4 optional auch CO2 VSA_Kurs_A4 201409_V1_#5 Organische Säuren Organische Säuren im Faulschlamm Beispiele von organischen Säuren Essigsäure Propionsäure M: 60.05 g/mol M: 74.08 g/mol stark stechend nach Essig stechend, nach ranzigem Käse VSA_Kurs_A4 Buttersäure M: 88.11 g/mol stark nach „Erbrochenem“ 201409_V1_#6 Organische Säuren Gehalt an organischen Säuren im Faulschlamm Der Gehalt an flüchtigen organischen Säuren ist ein typischer und aussagekräftiger Parameter für den intakten anaeroben Abbau Beispiel Bewertung (bezogen auf Buttersäure) Wichtig: dies sind nur Richtangaben und können je nach Analysenverfahren abweichen. unter 500 mg/l: Faulprozess im Gleichgewicht 500-1000 mg/l: Prozess in einem kritischen Stadium über 1000 mg/l: unerwünschte saure Wasserstoffgärung VSA_Kurs_A4 201409_V1_#7 Organische Säuren Übersicht Analysenmethoden Für die Bestimmung der organischen Säuren existieren verschiedene Methoden: a. ) Abtrennung der organischen Säuren durch Wasserdampfdestillation und anschliessende Titration mit Natronlauge Resultatangabe in mg/l Buttersäure b.) Veresterung des Faulwassers mit anschliessender fotometrischer Bestimmung (Küvettentest) Resultatangabe in mg/l Essigsäure oder Butteräure (Einstellungen Fotometer!!) c.) Bestimmung nach Nordmann: Direkte Titration des Faulwassers mit Schwefelsäure auf bestimmte pH-Endpunkte Resultatangabe in mg/l Essigsäure d.) Chromatographische Einzelstoffbestimmung Resultatangabe in mg/l je gemessene Säure VSA_Kurs_A4 201409_V1_#8 Organische Säuren Fotometrische Bestimmung der organische Säuren Filtration der Schlammprobe Reaktion der Säuren mit Alkohol (bei 100 °C; Veresterung) Reduktion der gebildeten Ester mit Eisen(III)-Salzen Fotometrische Messung der rotgefärbten Eisenkomplexe Resultatangabe in mg/l Essigsäure oder Buttersäure VSA_Kurs_A4 201409_V1_#9 Organische Säuren Titration der organischen Säuren nach Nordmann Diese Methode erfordert keine vorgängigen Aufbereitungsschritte Der Vorteil des Analysenverfahrens ist, dass neben des Gehalts an organischen Säuren, auch die Kalkreserve bestimmt werden kann Vorgehen bei der Analyse: vgl. Vorführung Fredi VSA_Kurs_A4 201409_V1_#10 Organische Säuren Kalkreserve Der Faulschlamm hat ein gewisses Säurebindungsvermögen / Pufferkapazität, die sogenannte Kalkreserve Die Kalkreserve wird durch die Konzentration an Ammonium(aus den Eiweissen) und Hydrogencarbonationen bestimmt. Der pH – Wert sinkt daher bei steigender Konzentration der organischen Säuren verzögert ab (Pufferwirkung) Deshalb reicht es nicht aus, nur den pH – Wert im Faulraum zu messen Durch die regelmässige Bestimmung der organischen Säuren im Labor kann der Fortschritt des anaeroben Abbauprozesses kontrolliert werden VSA_Kurs_A4 201409_V1_#11 Organische Säuren Direkte Titration der organischen Säuren im Faulwasser Bestimmung nach Nordmann organische Säuren Kalkreserve pH 5.0 pH ~7 pH 4.4 Direkte Titration an 0.05 mol/l (0.1 N) Schwefelsäure [ml] Verbrauch A [ml] Verbrauch B [ml] Berechnung Kalkreserve: Verbrauch A x 250 mg Calciumcarbonat (CaCO3) pro Liter Berechnung organische Säuren in mg pro Liter ((Verbrauch B x 1.66) – 0.15) x 500 Beispiel: Verbrauch A = 10.8 ml 10.8 x 250 = 2`700 mg/l CaCO3 Verbrauch B = 0.4 ml ((0.4 ml x 1.66) – 0.15) x 500 = 257 mg/l Essigsäure VSA_Kurs_A4 201409_V1_#12 Organische Säuren Übungen 1. Wo entstehen organische Säuren? Nenne 2 Beispiele von organischen Säuren 2. Weshalb kann der Verlauf des Faulprozesses nicht nur anhand des pHWertes im Faulturm beurteilt werden? 3. Nenne 2 Analysenmethoden für die Bestimmung von organischen Säuren VSA_Kurs_A4 201409_V1_#13 Organische Säuren Lösungen zu den Übungen 1. Organische Säuren entstehen bei Sauerstoffmangel oder bei anaeroben Abbauprozessen von organischem Material. Die organischen Säuren sind Zwischenprodukte bei der Methangasbildung. Essigsäure; Buttersäure 2. Wegen der Säurebindungskapazität im Schlamm, der sogenannten Kalkreserve. 3. Titration nach Nordmann Gleichzeitig Bestimmung Kalkreserve und Gehalt an organischen Säuren angegeben in mg/l Essigsäure. Fotometrische Bestimmung Resultatangabe in mg/l Essig- oder Buttersäure VSA_Kurs_A4 201409_V1_#14
