Phosphorentfernung aus Abwasser: Die Rolle von Eisen(III)-chlorid

Phosphor ist ein für Lebewesen unverzichtbares Element, doch gelangt er in übermäßigen Mengen in Gewässer, verändert er deren Gleichgewicht. Aus diesem Grund sind kommunale und industrielle Kläranlagen verpflichtet, den Phosphorgehalt vor der Einleitung zu reduzieren. Die chemische Fällung mit Eisensalzen gilt als eine der am häufigsten angewandten Methoden, um dies zu erreichen. Das bekannteste dieser Salze ist Eisen(III)-chlorid (wissenschaftlich als Iron(III) Chloride oder Ferric Chloride bezeichnet).

Dieser Artikel befasst sich mit dem Funktionsprinzip der Phosphorentfernung mittels Eisen(III)-chlorid, um Betreibern und Ingenieuren zu helfen, die Zugabe vor den Testläufen zu verstehen und die Dosierung abzuschätzen. Zu den Eigenschaften des Stoffes selbst und seinem Vergleich mit Alaun gibt es zwei separate Artikel auf dieser Website.

Warum wird Phosphor reguliert?

Eutrophierung ist die Anreicherung des Wassers mit Nährstoffen, insbesondere Stickstoff- und Phosphorverbindungen, wodurch Algen und Wasserpflanzen übermäßig wachsen, was das Gleichgewicht der Wasserlebewesen und die Wasserqualität beeinträchtigt. Dichte Algenblüten führen zu einem Rückgang der Nahrungsquellen und Lebensräume für Wasserlebewesen. Wenn die Algen absterben und sich zersetzen, sinkt der Gehalt an gelöstem Sauerstoff, was zum Absterben von Fischen führen kann.

Daher legt die Gesetzgebung Grenzwerte für die Einleitung von Phosphor fest. Als Beispiel für die Ausgestaltung dieser Grenzwerte schreibt die europäische Richtlinie über die Behandlung von kommunalem Abwasser (91/271/EWG) für Einleitungen in fäulnisempfindliche Gebiete je nach den örtlichen Gegebenheiten eine der beiden folgenden Anforderungen oder beide vor: eine Höchstkonzentration an Gesamtphosphor von 2 mg/l für Kläranlagen, die 10.000 bis 100.000 Einwohnerwerte versorgen, und 1 mg/Liter für mehr als 100.000 Einwohneräquivalente oder eine Reduktionsrate von mindestens 80 %. Die Grenzwerte variieren von Land zu Land und von Gewässer zu Gewässer; bitte beachten Sie die für Ihren Standort geltende Einleitungsgenehmigung.

Wie entfernt Eisen(III)-chlorid Phosphor?

Der wirksame Wirkstoff ist hier das Eisen(III)-Ion. Wird Eisen(II) verwendet, ist es erst nach seiner Oxidation zu Eisen(III) wirksam. Vereinfacht lässt sich die Reaktion so darstellen, dass sich das Eisen(III)-Ion mit Phosphat (gelöstes Orthophosphat) verbindet, wodurch das schwer lösliche Eisen(III)-Phosphat FePO₄ entsteht, das durch Ausfällung oder Filtration abgetrennt wird. Diese Formel geht davon aus, dass jedes Mol Eisen ein Mol Phosphor entfernt.

Die Realität ist jedoch komplexer. Das Eisen(III)-Ion hydrolysiert gleichzeitig und bildet einen Ausfällung von Eisen(III)-Hydroxid, wobei diese Hydrolyse mit der Bildung von Eisen(III)-Phosphat konkurriert. Diese Flocken binden das Phosphat durch Adsorption und die damit einhergehende Ausfällung. Die Studien sind sich zwar uneinig darüber, welcher der beiden Reaktionswege unter den verschiedenen Bedingungen überwiegt, stimmen jedoch darin überein, dass sich das zugesetzte Eisen auf beide Reaktionen verteilt und dass zur Erzielung eines niedrigen Restphosphorgehalts mehr Eisen benötigt wird als theoretisch berechnet. Wir werden im Abschnitt über das Molverhältnis auf diesen Punkt zurückkommen.

Wo wird es zugegeben? Drei Hauptpunkte

Es gibt keinen Punkt, der immer der beste ist, und manche Kläranlagen kombinieren mehrere Verfahren. Die Wahl hängt vom geforderten Grenzwert, den vorhandenen Anlagen, der Empfindlichkeit des Belebtschlamms und der Art der Schlammbehandlung ab.

Eisen-Phosphor-Verhältnis (Fe:P)

Die Dosierung wird üblicherweise als molares Verhältnis zwischen Eisen und dem zu entfernenden Phosphor ausgedrückt:

• Theoretisch ein Mol Eisen pro Mol Phosphor (1:1), d. h. etwa 1,8 Gramm Eisen pro Gramm Phosphor (berechnet aus den Atommassen: Fe = 55,845 und P = 30,974).
• In der Praxis liegt das Molverhältnis normalerweise zwischen 1 und 3, wenn der Phosphorrestgehalt im Sekundärwasser über 0,5 mg/l liegt; einige Quellen geben für die nachträgliche Zugabe etwa 1,5 bis 2,5 Mol pro Mol Phosphor an.
• Je niedriger der Zielwert, desto höher das Verhältnis. Um einen sehr niedrigen Restphosphorgehalt zu erreichen, sind Dosierungen erforderlich, die weit über der theoretischen Berechnung liegen, und es kann eine nachträgliche Filtration erforderlich sein.

Ein illustratives Rechenbeispiel, keine Dosierungsempfehlung: Zur Entfernung von 4 mg/l Phosphor (in Form von Orthophosphat) bei einem Molverhältnis von 1,5 sind etwa 10,8 mg/l Eisen erforderlich. Da der Eisengehalt in der 40-prozentigen Eisen(III)-chlorid-Lösung von Egy Chem Hub zwischen 13 und 14 Gewichtsprozent liegt, entspricht dies etwa 77 bis 83 Gramm der Lösung pro Kubikmeter. Die tatsächliche Dosierung muss jedoch im Rahmen eines Versuchs ermittelt werden, da die optimale Dosierung von der Phosphatkonzentration, dem pH-Wert und der Wasserzusammensetzung abhängt.

Um eine solide Berechnungsgrundlage zu erhalten:

• Legen Sie fest, welche Form des Phosphors entfernt werden soll: gelöstes Orthophosphat oder Gesamtphosphor einschließlich partikulärem Phosphor.
• Verwenden Sie für den Vergleich eine einheitliche Einheit: kg Eisen, kg wasserfreies FeCl₃ oder kg Lösung.
• Die Formel FeCl₃ bezieht sich auf die wasserfreie Verbindung, während es sich bei dem handelsüblichen Produkt um eine wässrige Lösung handelt; daher ist der im Datenblatt angegebene Eisengehalt zugrunde zu legen.

Alkalität und pH-Wert

Eisen(III)-chlorid verbraucht bei seiner Zersetzung die Alkalität des Wassers; der veröffentlichte Wert liegt zwischen etwa 0,92 und 0,93 mg/l (als CaCO₃) pro 1 mg/l wasserfreiem FeCl₃. Nach der Äquivalenzrechnung entspricht dies etwa 2,7 mg/l (als CaCO₃) pro 1 mg/l Eisen. Im vorangegangenen Beispiel (10,8 mg/l Eisen) bedeutet dies einen Verbrauch von etwa 29 mg/l Alkalität, was als grober rechnerischer Richtwert anzusehen ist.

Bedeutung für die Anlage:

• Bei gleichzeitiger Zugabe kann der pH-Wert im Bioreaktor so stark absinken, dass dies für die Mikroorganismen untragbar ist; daher wurden einige Laborstudien mit Zugabe von Natriumbicarbonat zum Ausgleich der Alkalität durchgeführt.
• Bei einem niedrigen Alkalitätsgrad des Rohwassers müssen die Kosten für den Ausgleich (Kalk, Soda oder Bicarbonat) in die Gesamtkosten einbezogen werden, nicht nur der Preis der Lösung allein.
• Der pH-Wert wird unmittelbar nach der Zugabe sowie im Bioreaktor überwacht, und im Reaktionsbehälter wird festgestellt, ob ein Ausgleich erforderlich ist.

Auswirkungen der Zugabe auf den Schlamm

Jede chemische Phosphorfällung erhöht die Schlammmenge. Das zugesetzte Eisen wandelt sich in unlösliches Hydroxid und Phosphat um, die sich im Schlamm ansammeln. Zur Abschätzung der theoretischen Obergrenze gilt: Jedes 1 mg Eisen ergibt im Extremfall etwa 1,9 mg Eisen(III)-hydroxid (auf Trockensubstanz bezogen), eine Masse, die dem anfallenden Schlamm hinzukommt, bevor das daran gebundene Wasser berücksichtigt wird.

Literaturangaben weisen darauf hin, dass eine über den Bedarf hinausgehende Dosierung sowohl die Kosten als auch die Schlammmenge erhöht. Was den Einfluss von Eisen auf die Entwässerbarkeit des Schlamms betrifft, so gibt es in der verfügbaren Literatur keine einheitliche Regel. Daher wird dieser Einfluss am Schlamm der jeweiligen Kläranlage selbst gemessen, bevor der Zugabepunkt festgelegt wird.

Kurzer Vergleich mit der biologischen Entfernung

Die verstärkte biologische Phosphorentfernung (EBPR) beruht auf Organismen, in denen sich Phosphatverbindungen anreichern und deren Lebensraum zwischen anaeroben und aeroben Bedingungen wechselt. Im anaeroben Bereich benötigen sie eine leicht verwertbare Kohlenstoffquelle wie flüchtige Fettsäuren, um die sie mit anderen Organismen konkurrieren. Daher wird ihre Leistung von der Zusammensetzung des Abwassers und den Betriebsbedingungen beeinflusst.

Die chemische Fällung zeichnet sich hingegen dadurch aus, dass sie schnell umsetzbar ist und keine Anpassung des biologischen Prozesses erfordert; der Betreiber steuert das Ergebnis durch Anpassung der Dosierung. Im Gegenzug fallen für die Anlage kontinuierliche Kosten für Chemikalien an und es entsteht mehr Schlamm. Daher kombinieren viele Kläranlagen beide Verfahren: biologische Entfernung eines Großteils des Phosphors und chemische Abscheidung als Verfeinerungs- oder Unterstützungsschritt, um den geforderten Grenzwert zu erreichen. Die Abwägung zwischen den beiden Optionen hängt von den Investitions- und Betriebskosten sowie von den Bedingungen der jeweiligen Kläranlage ab.

Betriebshinweise

1. Dosierversuche mit dem tatsächlichen Wasser bilden die Grundlage für die Bestimmung der optimalen Dosierung und des Zugabepunkts und müssen bei Änderungen der Wasserzusammensetzung wiederholt werden.
2. Schnelle Durchmischung am Einleitungsort: Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass Eisen, das direkt in phosphathaltiges Wasser eingeleitet wird, dieses besser entfernen kann als vorab aufbereitetes Eisen(III)-hydroxid; daher ist die Einleitungsstelle so zu gestalten, dass sich die Lösung schnell im Wasser verteilt.
3. Vermeidung einer Überdosierung: Dies erhöht die Kosten und den Schlammanfall und erfordert eine Überprüfung der Grenzwerte für den Restgehalt an Eisen im Abwasser, sofern diese in der Genehmigung festgelegt sind.
4. Materialien und Handhabung: Die Lösung ist sauer und stark korrosiv gegenüber Metallen. In Behältern, Pumpen und Einspritzleitungen sind geeignete nichtmetallische oder ausgekleidete Materialien zu verwenden. Das Sicherheitsdatenblatt weist darauf hin, dass das Produkt nicht zusammen mit Metallen, Laugen und reduzierenden Stoffen gelagert werden darf und dass bei Kontakt mit Metallen wie Aluminium und Zink große Mengen an Wasserstoff entstehen können.
5. Sicherheit: Die Version 2 des Sicherheitsdatenblatts (SDS) für die 40-prozentige Eisen(III)-chlorid-Lösung von Egy Chem Hub stuft das Produkt als möglicherweise korrosiv gegenüber Metallen (H290) ein, bei Verschlucken gesundheitsschädlich ist (H302), schwere Verätzungen der Haut und Augenschäden verursacht (H314) sowie schwere Augenschäden verursacht (H318). Es ist erforderlich, Handschuhe, Augen- und Gesichtsschutz sowie Schutzkleidung zu tragen und vor der Handhabung das Sicherheitsdatenblatt zu konsultieren.

Eisen(III)-chlorid-Lösung mit einer Konzentration von 40 % von Egy Chem Hub

Egy Chem Hub liefert Eisen(III)-chlorid-Lösung mit einer Konzentration von 40 % (Ferric Chloride Solution 40 %, Handelsname ECH-FR4014) an, eine rötlich-braune wässrige Lösung, die als Flockungsmittel bei der Aufbereitung von Trinkwasser, Prozesswasser und Abwasser eingesetzt wird. Das technische Datenblatt (TDS) weist folgende Eigenschaften aus:

• Konzentration bis zu 40 % (±2) Gew.-%, d. h. 400 g/kg, was bei einer spezifischen Dichte von 1,42 etwa 568 g/Liter entspricht.
• Eisengehalt 13 bis 14 %, Eisen(II) bis zu 1 % und freier Säuregehalt bis zu 1 %.
• Spezifisches Gewicht 1,42 (±0,02) bei 20 °C; vollständig wasserlöslich.
• Die optimale Dosierung wird durch einen Test ermittelt; die Injektion kann als Konzentrat oder nach Verdünnung erfolgen.

Es wird in HDPE-Fässern mit einem Fassungsvermögen von 280 kg und in IBC-Behältern mit einem Fassungsvermögen von 1.400 kg abgefüllt und ist auch als Schüttgut erhältlich. Herkunftsland ist Ägypten, die Lagerdauer beträgt 12 Monate und die Mindestbestellmenge beträgt ein Fass (280 kg). Das Produkt wird in einer NSF-zertifizierten Anlage gemäß der Norm NSF/ANSI/CAN 60 für die Flockung und Desinfektion in der Trinkwasseraufbereitung hergestellt. Die in der NSF-Liste angegebene maximale Einsatzkonzentration beträgt 100 mg/l, berechnet auf der Basis von FeCl₃ (gemäß Angaben von Egy Chem Hub), für Trinkwasseranwendungen; die Dosierung für die Abwasserbehandlung richtet sich nicht danach. TDS- und SDS-Datenblätter sind auf Anfrage erhältlich.

Kontakt

Um ein Angebot oder technische Daten für eine 40-prozentige Eisen(III)-chlorid-Lösung anzufordern, wenden Sie sich bitte an das Team von Egy Chem Hub und fügen Sie die Ihnen vorliegenden Daten zu Ihrem Wasser bei: Phosphorgehalt und -form, Alkalität, empfohlener Zugabepunkt und erforderlicher Abflussgrenzwert.