Biologische Phosphorelimination

Unter Phosphorelimination (auch Phosphoreliminierung, Phosphatelimination oder P-Elimination) versteht man in der Abwasserreinigung die Entfernung von Phosphorverbindungen aus Abwässern in Kläranlagen. Der in der Chemie unübliche Begriff der "Eliminierung" (in der Chemie spricht man eher von "Umwandlung") leitet sich aus (lat.: eliminare = aus dem Hause treiben) ab und wurde in den 1980er-Jahren in der Abwassertechnik eingeführt. Phosphorverbindungen wirken in Gewässern als Düngemittel und sind die Hauptursache für die Eutrophierung. Sie müssen in Kläranlagen entfernt werden, insbesondere in kommunalen Kläranlagen, denn der Hauptanteil der Phosphate stammt aus häuslichen Abwässern, vor allem bis zu den 1990er-Jahren, als es noch fast ausschließlich phosphathaltige Waschmittel gab. Für die Phosphorelimination sind zwei Verfahren geeignet:

1. die chemische P-Fällung durch Zugabe von Fällungsmitteln und
2. die biologische P-Elimination in biologische Abwasserreinigungsanlagen.

Chemische P-Fällung

Gelöste Phosphate können mit Hilfe geeigneter Fällungsmittel in ungelöste Phosphate umgewandelt und als Feststoff aus dem Abwasser (simultan mit anderen Feststoffen) entfernt werden. Die abgeschiedenen Phosphate sind dann Bestandteil des Klärschlammes und gelangen entweder als Düngemittel in den Naturkreislauf zurück, oder werden durch Klärschlammverbrennung in der Asche angereichert und i.d.R. deponiert, d.h. dem Naturkreislauf entzogen.

Als Fällungsmittel verwendet man in Kläranlagen:

• Eisenchloride ( FeCl₂ oder FeCl₃ )
• Eisenchloridsulfat ( FeClSO₄ )
• Eisensulfat / Grünsalz ( FeSO₄ )
• Aluminiumsulfat ( Al₂(SO₄)₃ )
• Natriumaluminat ( NaAl(OH)₄ )
• Kalkmilch ( Ca(OH)₂ )

Eisenchloridsulfat und Eisensulfat (Grünsalz) sind Produkte, die bei der Titandioxid-Gewinnung als Sekundärprodukte entstehen. Bis auf Natriumaluminat und Kalkmilch handelt es sich um saure Fe- oder Al-Salze, die bei der Anwendung den pH-Wert des Wasser reduzieren können und zusätzliche Anionen eintragen, so dass die biologische Abwasserreinigung erschwert werden kann (je nach Säurepufferkapazität des Wassers). Die typische Fällungsreaktion ist:

$\mathrm{[PO_4]^{3-}\ + \ FeCl_3 \longrightarrow \ FePO_4 \ + \ 3Cl^{-}}$

$\mathrm{[PO_4]^{3-}\ + \ NaAl(OH)_4 \longrightarrow \ AlPO_4 \ + \ NaOH \ + \ 3OH^{-}}$

$\mathrm{2[PO_4]^{3-}\ + \ 3Ca(OH)_2 \longrightarrow \ Ca_3(PO_4)_2 \ + \ 6OH^{-}}$

In kommunalen Abwässern beträgt die Phosphorkonzentration im Mittel zwischen 1 - 5 mg P/l und muss nach den Bestimmungen des Abwasserabgabengesetzes je nach Größe der Kläranlage und Art des Vorfluter (kleiner Bach, großer Fluss, Binnensee oder Meer) auf 0,5 - 1,0 mg P/l reduziert werden. Die erforderliche Menge an Fällungsmitteln errechnet sich nach der Stöchiometrie:

• Für 1g P werden 1,80g Fe oder 0,87g Al oder 1,94g Ca bezw. ihre entsprechenden Salze benötigt.

• Aus 1g P entstehen dabei 4,87g FePO₄ oder 3,94g AlPO₄ oder 5,00g Ca₃(PO₄)₂

Meistens werden die Fällungsmittel direkt in die biologische Reinigungsstufe (Simultanfällung) zugegeben, manchmal auch in einem Abwasser-Seitenstrom oder zur Vorfällung bzw. Nachfällung. Praktisch jede Kläranlage ist heute so ausgerüstet, dass eine chemische Fällung in Abhängigkeit des gemessenen Phosphor-Gehaltes durchgeführt werden kann. Um Fällungsmittel einzusparen, praktizieren viele Kläranlagen zusätzlich die biologische P-Entfernung.

Fällungsarten

Simultanfällung

Die Simultanfällung ist eine Fällungsreaktion, bei der im Wasser gelöste Ionen durch Zugabe eines Fällungsmittels in eine wasserunlösliche Verbindung überführt und dann abfiltriert werden. Wenn mit einem Fällungsmittel gleichzeitig zwei Ionen ausgefällt werden, so liegt eine Simultanfällung vor.

Beispiel: In der Abwasseraufbereitung ist die Simultanfällung ein Prozess in kommunalen Kläranlagen, der der Entfernung von Phosphor als Phosphat aus dem Abwasser dient. Dabei wird das Fällungsmittel (zumeist Eisensulfat, Eisenchlorid oder ein Aluminiumsalz) vor dem Belebungsbecken zugegeben. Die Fällungsreaktion erfolgt hier gleichzeitig (=simultan) mit den biologischen Reinigungsprozessen im Belebungsbecken. Die entstandenen schwer löslichen Metall-Phosphorverbindungen (Eisen- und Aluminiumphosphate) verbleiben im Nachklärbecken beim Belebtschlamm und werden somit aus dem Abwasser entfernt.

Weiterhin führt die Zugabe der Fällmittel zu einer verbesserten Schlammstruktur und zu besseren Absetzeigenschaften. Eine Simultanfällung wird somit oft nicht nur aus Gründen der Nährstoffentfernung, sondern auch wegen der Verbesserung des Anlagenbetriebes vorgenommen, da damit die Trennleistung des Nachklärbeckens verbessert wird.

Die Fällung führt zu einer Zunahme der Überschussschlammproduktion.

Vorfällung

Vorfällung nennt man die Entfernung von Phosphor aus dem Abwasser durch die Überführung in ungelöste Metallsalze. Diese Fällung wird vor der biologischen Stufe vorgenommen. Beispielsweise kann das Vorklärbecken zum Absetzen verwendet werden.

Das Hauptziel bei der Vorfällung ist nicht die Phosphatfällung (die wird natürlich auch erreicht) sondern eine Entlastung der biologischen Stufe. Die Bezeichnung sollte daher eher "Vorflockung" heißen, diese Bezeichnung hat sich in Praxis allerdings nicht durchgesetzt. Gerade veraltete Kläranlagen sind häufig überlastet. Wenn die Erneuerung aus verschieden Gründen sich hinauszögert können mit der Vorfällung diese Anlagen auch die aktuellen Ablaufwerte einhalten. Nachteil: sehr hohes Primärschlammaufkommen, sehr hoher Verbrauch von Fällmittel, es können nur 3- und höherwertige Metallsalze verwendet werden die noch zusätzlich zu den teureren Produkten zählen.

Nachfällung

Die Phosphorfällung findet nach der Nachklärung statt. Verwendet werden dreiwertige Metallsalze. Die Nachfällung gewährleistet sehr gute Phosphorablaufwerte, allerdings ist der Verbrauch an Fällungsmittel sehr hoch. Zudem ist eine nachgeschaltete Abtrennung der entstehenden Flocken notwendig

Biologische Phosphorelimination

Bei der biologischen Phosphorelimination (kurz: Bio-P) werden Mikroorganismen in einem anaeroben Becken in eine Stresssituation gebracht. Wenn Mikroorganismen keinen Sauerstoff zur Verfügung haben, können sie nicht atmen, das heißt, sie müssten eigentlich absterben. Um das zu verhindern geben sie die in ihren Zellen eingelagerten Phosphate ab, wodurch Energie entsteht, welche sie zum Überleben verwenden. Um diesen Prozess zu unterstützen, muss den Mikroorganismen leicht abbaubares organisches Substrat zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Mikroorganismen dann in einen aeroben Lebensbereich gelangen, nehmen sie das zuvor gelöste Phosphat wieder auf und lagern noch weitere Phosphate in ihren Zellen ein, wodurch dann der Gesamt-Phosphatgehalt im Wasser sinkt.

Günstige Bedingungen für Bio-P

• Kaskadenbauweise und Vor- Kopf- Beschickung
• Hoher BSB₅ im Anaerobbecken
• Geringer Vorabbau in der Kanalisation

Ungünstige Bedingungen für Bio-P

• Sauerstoffhaltiges Abwasser (Nitrat)
• Vorklärung mit gutem Wirkungsgrad
• Dünnes und kaltes Abwasser (viel Fremdwasser)

Weil der Bio-P-Prozess empfindlich ist (Bakterien sind "launische" Lebewesen), wird auf den meisten Kläranlagen eine Kombinationsfahrweise (Chemie + Bio) praktiziert.

Problematik

Angesichts der Endlichkeit der Phosphatvorkommen der Erde und der Lebenswichtigkeit von Phosphor (ohne Phosphate ist kein Pflanzenwachstum möglich), finden verstärkt Bemühungen statt, Phosphor durch geeignete Verfahren aus Abwässern oder Klärschlämmen zurück zu gewinnen, z.B. durch das "Phostrip-Verfahren", durch Aufschluss von phosphatreichen Klärschlamm-Aschen oder durch MAP-Fällung (mit Struvit = Ammoniummagnesiumphosphat).

Beim Phostrip-Verfahren wird ein Teil des phosphathaltigen Überschussschlammes aus der Biologie in einem separaten Becken (Stripper) sedimentiert und das phosphatreiche Dekantat separat mit Fällungsmitteln behandelt, z.B. mit Kalkmilch (Calciumphosphat-Fällung) oder Magnesiumchlorid (Struvit-Fällung). Es bilden sich kristalline Fällungsprodukte die relativ leicht abgeschieden und einer industriellen Verwertung zugeführt werden können. Wegen der zusätzlichen Kosten haben sich diese Verfahren allerdings noch nicht etablieren können.

Literatur

• Abwassertechnologie; Springer Verlag, ISBN 3-540-13038-1
• Stickstoff und Phosphor in Fließgewässern; Arbeitsbericht des ATV-Ausschusses 2.1; Korrespondenz Abwasser 11/87
• Phosphor-Eliminierung durch alkalische Tonerde-Lösung; Korrespondenz Abwasser 1/90