Adsorptive Verfahren

Bei Pulveraktivkohle (PAC) handelt es sich um gemahlene Aktivkohle. Laut DIN 12903 müssen zur Bezeichnung als Pulveraktivkohle mindestens 95 Prozent Massenanteil eine Korngröße von kleiner als 150 µm aufweisen sowie die Korngrößenverteilung den Angaben des Herstellers entsprechen. Handelsübliche Pulveraktivkohlen besitzen üblicherweise eine mittlere Korngröße von 10 µm bis 50 µm.

Beim Einsatz in der Abwasserreinigung wird die Pulveraktivkohle direkt dem zu reinigenden Abwasser zugegeben. Die Adsorption erfolgt während dem Kontakt mit dem Abwasser. Hierzu ist die Kohle ausreichend mit dem Abwasser zu vermischen. Da technisch wesentlich geringere Kontaktzeiten zu realisieren sind als zur Einstellung des Adsorptionsgleichgewichtes notwendig wären, wird die Pulveraktivkohle zur besseren Ausnutzung deren Adsorptionskapazität beim Einsatz in der kommunalen Abwasserreinigung innerhalb des Verfahrensprozesses aufkonzentriert. Nach einer ausreichenden Kontaktzeit bedarf es einer Abtrennung der Pulveraktivkohle aus dem Abwasser.

Pulveraktivkohle kann zur Spurenstoffelimination an unterschiedlichen Stellen der Kläranlage zugegeben werden. Wird die biologische Reinigungsstufe als Bezugspunkt genommen, so kann die adsorptive Reinigung simultan oder der Biologie nachgeschaltet erfolgen. Bei einer nachgeschalteten Anwendungsform bietet sich zusätzlich die Möglichkeit die teilbeladene Pulveraktivkohle aus dem nachgeschalteten Reinigungsprozess auszuschleusen und im Sinne des Gegenstromprinzips für eine weitere Beladung in die biologische Reinigungsstufe zurückzuführen. Für die Ausbildung der nachgeschalteten PAC-Anwendung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bislang wurde die Dosierung in einer separaten Adsorptionsstufe als auch die direkte Dosierung vor einen Filter untersucht. Der Unterschied zwischen den beiden Verfahrensformen besteht zum einen sowohl in der Kontakt- als auch in der Verweilzeit der Pulveraktivkohle in der adsorptiven Stufe, zum anderen in der Art der Adsorbensführung in Bezug auf die Mehrfachbeladung.

Die PAC-Dosierung in einer separaten Adsorptionsstufe (siehe Abbildung 1) wird in einigen Kläranlagen in Baden-Württemberg bereits großtechnisch angewendet. Die Adsorptionsstufe besteht aus einem Kontaktreaktor und einem Sedimentationsbecken. Die PAC wird zunächst dem biologisch gereinigten Abwasser im Bereich des Kontaktreaktors zugegeben Im anschließenden Sedimentationsbecken wird sie unter Zugabe von Metallsalzen und Polymeren vom Abwasser abgetrennt. Der abgesetzte „Kohleschlamm“ wird zur besseren Ausnutzung der Aktivkohle wieder als „Rücklaufkohle“ in den Kontaktreaktor zurückgeführt Dadurch wird eine Entkopplung der Aufenthaltszeit der PAC im System von der Aufenthaltszeit des Abwassers erzielt. Die Überschusskohle wird gemäß dem Gegenstromprinzip in die Biologie zurückgeführt, um die restliche Adsorptionskapazität der Aktivkohle auszunutzen. Ein Filter nach dem Sedimentationsbecken trennt die nicht sedimentierte Pulveraktivkohle vom gereinigten Abwasser ab.

Abbildung 1: Verfahrensschema bei Anordnung einer separaten Adsorptionsstufe zur Spurenstoffelimination

Eine weitere Anwendungsform ist die PAC-Dosierung vor einen Filter (siehe Abbildung 2). Der Überstauraum eines Sandfilters kann dabei gleichzeitig als Raum für den Kontakt der Aktivkohle mit dem Abwasser herangezogen werden. Im nachfolgenden Filterbett erfolgt die PAC-Abtrennung. Die Einlagerung der PAC im Filterbett ermöglicht eine weitere Adsorption der Abwasserinhaltsstoffe. Durch die Rückführung des Spülabwassers in die biologische Stufe kann die Verweilzeit der PAC im Reinigungssystem erhöht werden, um eine effiziente Nutzung der PAC zu erzielen.

Der Vorteil dieser Anwendungsform besteht in der einfachen Integration der adsorptiven Reinigungseinheit in Anlagen mit einer bestehendenr Filteranlage.

Abbildung 2: Verfahrensschema bei einer direkten PAC-Dosierung vor einem Filter

Bei der simultanen Anwendungsform wird die PAC direkt in das Belebungsbecken zugegeben (vgl. Abbildung 3). Das Belebungsbecken dient gleichzeitig als Kontaktraum für die adsorptive Reinigung. Die PAC wird in den belebten Schlamm eingebaut und mit dem Überschussschlamm aus der Reinigungsstufe entfernt. Bei unzureichendem Rückhalt der Pulveraktivkohle im Nachklärbecken ist ein Filter nachzuschalten.

Abbildung 3: Verfahrensschema bei einer simultanen PAC-Anwendung

Granulierte Aktivkohle weist typischerweise Korngrößen zwischen 0,5 mm bis 4 mm auf. Der Einsatz von granulierter Aktivkohle erfolgt in Festbettadsorbern. Hierbei durchströmt das Abwasser die Kornkohleschüttung und die Spurenstoffe werden dabei an die Aktivkohle adsorbiert. Eine zusätzliche Abtrennstufe nach dem Kornkohlefilter ist nicht erforderlich. Nach Ausschöpfung der Adsorptionskapazität wird die Aktivkohle entnommen. Sie kann nun reaktiviert und anschließend erneut zur Adsorption eingesetzt werden.

Granulierte Aktivkohle wird nach der biologischen Stufe eingesetzt. Hierzu sind zwei Varianten der GAC-Anwendung bekannt. Eine Variante besteht in der Umrüstung eines existierenden Sandfilters zu einem Aktivkohlefilter (siehe Abbildung 4). Hierzu wird das bestehende Filtermaterial durch granulierte Aktivkohle ersetzt. Diese Variante stellt für Kläranlagen, die keine räumliche Erweiterungsmöglichkeit haben, eine Option zur Spurenstoffelimination dar. Im Kornkohlefilter werden neben Spurenstoffen auch Feststoffe zurückgehalten. Die Feststoffeinlagerung im Filterbett verursacht jedoch einen erhöhten Druckverlust, so dass eine Rückspüleinrichtung erforderlich ist. Das Spülabwasser kann in die biologische Stufe eingeleitet werden.

Abbildung 4: GAC-Filter nach biologischer Reinigung

Die zweite Variante ist die Anordnung eines Kornkohlefilters nach einem Filter (siehe Abbildung 5). Durch den vorgeschalteten Filter werden die abfiltrierbaren Stoffe aus der Nachklärung zurückgehalten, so dass der Kornkohlefilter mit nahezu feststofffreiem Abwasser beaufschlagt wird. Dadurch verringert sich die Häufigkeit und die Art der Rückspülung.

Abbildung 5: Anordnung eines GAC-Filters nach einem Abwasserfilter