Gegenüber den herkömmlichen Verfahren zur Phosphatentfernung kann es bei bestimmten Fragestellungen der Abwasserwiederverwendung sinnvoll sein, Phosphat bis auf ganz geringe Restkonzentrationen zu entfernen. Dies kann beispielsweise bei der Wiederverwendung von Abwasser in Landschaft gestaltenden künstlichen Gewässern der Fall sein. Dass Eisenhydroxide hohe Adsorptionskapazitäten für Phosphat zeigen, ist seit langem bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Phosphatadsorption an kommerziell verfügbare Adsorbentien auf Eisenbasis hinsichtlich der Eignung für die weitestgehende Abwasserreinigung und Abwasserwiederverwendung zu bewerten. Im Mittelpunkt der Untersuchungen steht Granuliertes Eisenhydroxid (GEH), das vor allem in der Arsenentfernung eingesetzt wird. Zentrale Fragestellung ist die Quantifizierung der konkurrierenden Adsorption von Abwasserinhaltsstoffen und der damit einhergehenden Kapazitätsverluste und die Entwicklung eines Regenerationsverfahrens, das die Wiedernutzung des Adsorbens ermöglicht. Schließlich soll eine Methodik zur Vorhersage des Durchbruchs von Festbettadsorbern mittels mathematischer Modelle erarbeitet werden. Laborversuche mit Abwasser, natürlichen Wässern und Modelllösungen zeigen eine starke pH-Abhängigkeit der Adsorption von Phosphat an GEH. Hohe Beladungen von bis zu 24 mg/g P (bei pH 6 und einer Gleichgewichtskonzentration von 2 mg/L P) werden erreicht. In Abwasser und Trinkwasser werden höhere Beladungen beobachtet als in vollentsalztem Wasser. Als Grund wird die Anwesenheit von Calcium vermutet, die die Adsorption von Phosphat an GEH deutlich verbessert. Eine modellhafte Beschreibung der Adsorption mittels des Doppelschichtmodells ist prinzipiell möglich, eine Simulation der simultanen Adsorption von Phosphat und Calcium gelingt jedoch nicht. Mittels Isothermenversuchen kann der ideale Durchbruch von Festbettfiltern berechnet werden, dessen Aussagekraft jedoch aufgrund des großen Einflusses der Kinetik auf die Form der Durchbruchskurve begrenzt ist. Kleinfilterversuche (Rapid small-scale column tests - RSSCT) zeigen, dass die Kinetik der Adsorption von Phosphat an GEH sehr langsam ist und zu asymptotisch geformten Druchbruchskurven führt. Anhand von Durchbruchsdaten konnte zudem gezeigt werden, dass die Reihen-Wechsel-Schaltung von Festbettadsorbern eine bessere Ausnutzung des Adsorbens ermöglicht. Experimentell aufgenommene Durchbruchskurven lassen sich mit dem Oberflächendiffusionsmodell (HSDM) und zwei abgeleiteten Modellen, CPHSDM und LDF, darstellen. Der Einfluss der experimentell bestimmten Modelleingabeparameter wie der Freundlich-Isothermenkonstanten und der Stoffübergangskoeffizienten der Film- und Korndiffusion auf die Form der Durchbruchskurve wurde analysiert. Der Durchbruch von Phosphat und den ebenfalls untersuchten Adsorbaten Arsenat, Salicylsäure und DOC konnte mit dem HSDM zufriedenstellend wiedergegeben werden. Durch den sehr langsamen inneren Stofftransport treten höhere Biot-Zahlen auf, bei denen LDF und CPHSDM den Durchbruch nicht korrekt vorhersagen können, wie für Arsenat beobachtet wurde. Anhand dieser Ergebnisse wurden Anwendungsgrenzen für LDF und CPHSDM definiert und gezeigt, dass eine Modellauswahl mittels bekannter oder abgeschätzter Biot- und Stanton-Zahlen möglich ist. GEH ist auch bei hohen pH-Werten stabil und eine Regeneration mittels NaOH ist möglich. Etwa 80 % des anfangs adsorbierten Phosphats können eluiert werden. Die unvollständige Desorption führt zu Kapazitätsverlusten mit jeder Wiedernutzung, deren Anzahl dadurch begrenzt ist. Es sind mindestens drei Betriebszyklen ohne Wechsel des Materials möglich. Die Desorption von Phosphat ist schnell und der Hauptteil des gebundenen Phosphats kann innerhalb der ersten 4–6 Bettvolumen eluiert werden. Die gebrauchte Natronlauge kann wieder verwendet werden. Eine Phosphorrückgewinnung aus der konzentrierten Lauge (bis zu 3.5 g/L P) ist möglich. Die Regeneration und Mehrfachnutzung von GEH erhöht die Standzeiten der Adsorber deutlich und ermöglicht einen kostengünstigeren Einsatz des Verfahrens. Die Ergebnisse der Laborexperimente zur Adsorption und Regeneration wurden durch Pilotversuche auf einer Kläranlage in Peking (China) bestätigt. Durch selektive Nährstoffentfernung mittels Adsorption an GEH anschließend an einen Membranbioreaktor kann eine Ablaufkonzentration von < 0.03 mg/L P Gesamtphosphor sicher eingehalten und die Eutrophierung künstlicher Seen verhindert werden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Adsorption an GEH für die Phosphorentfernung aus Ab- und Oberflächenwasser geeignet ist. Ein ökonomisch sinnvoller Einsatz beschränkt sich auf Anwendungen, in denen sehr geringe Restkonzentrationen benötigt werden. Regeneration und Reihen-Wechsel-Schaltung verlängern die Standzeiten der Adsorber und verringern die spezifischen Materialkosten. Gedruckte Version im Verlag erschienen: PAPIERFLIEGER,
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