Einsatz von Braunkohlen-Herdofenkoks als Adsorptionskoks zur Reinigung kommunaler Abwässer PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2678/Fachgruppe Umwelt/Verkehr Herausgegeben im Auftrage des MinisterprasidentenJieinz Kuhn yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Priv. -Doz. Dr. -Ing. 'Friedrich Hermann Franke Dipl. -Ing. Mehrdad Mohtadi Institut f{1r Eisenhilttenkunde der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Prof. Dr. -Ing. Botho B5hnke Institut filr Siedlungswasserwirtschaft der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Einsatz von Braunkohlen-Herdofenkoks als Adsorptionskoks zur Reinigung kommunaler Abwasser WESTDEUTSCHER VERLAG 1977 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Franke, Friedrich Hermann Einsatz von Braunkohlen-Herdofenkoks als Ad sorptionskoks zur Reinigung kommunaler Ab wasser / Friedrich Hermann Franke; Mehrdad Mohtadi; Botho Bohnke. - 1. Aufl. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1977. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen; Nr. 2678 : Fachgruppe Umwelt/ Verkehr) ISBN-13: 978-3-531-02678-7 e-ISBN-13 :978-3-322-88388-9 DOl: 10.1007/978-3-322-88388-9 NE: Mohtadi, Mehrdad:; Bohnke, Botho: © 1977 by Westdeutscher Verlag GmbH. Opladen Ges amtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02678-7 Inhalt. 1- Zusammenfassung 2. Einleitung und.Problemstellung 3 3. Einzel - Untersuchungen 5 3.1. Probenvorbereitung der kommunalen Abw~sser 5 aus der Klaranlage Aachen-Soers 3.2. Probenvorbereitung des Einsatzkokses 5 3.2.1. Teilvergasung der Koksproben mit Wasser 6 dampf/Kohlendioxid 3.2.2. Kenndatenermittlung an den teilvergasten 7 Kohleproben 3.2.2.1. Spezifische Oberfl~che und Porosit~t 7 4. Versuche in einer RUhrapparatur 8 4.1 • Zeitlicher Verlauf des Adsorptionsvorganges 9 bei aktiviertem Herdofenkoks 4.2. Gleichgewichts - Isotherme bei Verwendung 10 von Phenolltlsung als Adsorptiv 4.3. Gleichgewichts - Isotherme bei Verwendung 11 von biologisch gereinigtem Abwasser 4.4. Diskussion der Gleichgewicht - Isotherme 12 4.5. Auswirkung der gesteuerten Teilvergasung 13 des Herdofenkokses auf seine Adsorptions f~higkeit 5. Abwasserreinigung mit vorbereiteten Koks 14 proben in einer Durchlauf - Filterapparatur 5.1. Festbettfilter - Versuchsergebnisse 14 5.2. Diskussion der Durchlauffilterversuche 18 bei Einsatz von Phenolabwasser und bio logisch gereinigtem Abwasser 6. Uberschl~gige Kostenrechnung der Adsorp 20 tionsanlage als weitergehende Abwasser reinigung 6.1. Allgemeine Gesichtspunkte 20 - IV - 6.2. Uberschlaqiqe Investitions- und Jahres- kosten einer Adsorptionsanlaqe mit A-Kohle 22 6.3. Uberschlaqiqe Investitions- und Jahres- kosten einer Adsorptionsanlaqe mit Braun- kohlenkoks 23 6.3.1. Uberschlaqiqe Investitions- und Jahres- kosten mit Reqenerierunq der beladenen Braunkohlenkokse 23 6.3.2. Uberschlaqiqe Investitions- und Jahres- kosten ohne Reqenerierunq der beladenen Braunkohlenkokse 24 6.4. Ubersicht der Uberschlaqiqen Investitions- und Jahreskosten der Adsorptions-Anlaqe 100.000 E 24 7. Verqleich der Investitions- bzw. Jahres- kosten der chemischen Abwasserbehandlunq (Vorfallunq und Nachfallunq) mit Adsorp- tionsverfahren als weiterqehende Abwasser- reiniqunq 26 8. Literaturverzeichnis 30 9. Anhanq Abbildunqen 32 -1- 1. Zusammenfassung Ziel der Untersuchungen war eine PrUfung zur Verringerung der Kosten einer "Weitergehenden Abwasserreinigung" durch Einsatz von Braunkohlenkoks. Dieser PrUfung lag der Gedanke zugrunde, einen kostengUnstigen Massenkoks fUr MaBnahmen zum Umweltschutz zu nutzen. 1m einzelnen wurden RUhrversuche sowie Festbett-Filter versuche mit Einsatz von unterschiedlichen und Abw~ssern k5rnigem Braunkohlenkoks durchgefUhrt. Der Braunkohlenkoks wurde hierzu in Einzeluntersuchungen zwecks "Aktivierung" seiner Adsorptionsf~higkeit vor dem Einsatz mit Wasser- dampf bzw. Kohlendioxid teilvergast. Es erwies sich, daB diese Behandlung mit Kohlendioxid zu gUnstigeren Adsorptions ergebnissen bei phenolhaltigem Abwasser fUhrte als die Teil vergasung mit Wasserdampf. Herdofenkoks im Anlieferungszustand sowie mit Kohlendioxid teilvergaster Herdofenkoks wurden in RUhrversuchen zur Ad sorption von biologisch gereinigtem Abwasser eingesetzt. Verglichen wurden diese Adsorptions-Untersuchungen im Er gebnis einer Schadstoff-Gleichgewichtsbeladung mit Unter suchungen an handelsUblichem Aktivkoks (entkieselter Wasser reinigungskoks). Die Untersuchungen zeigen, daB entkieselter Wasserreinigungskoks als Vergleichskoks die h5chste Phenol beladung aufweist,und daB beim "aktivierten" Herdofenkoks die CSB 1IC -Beladung bei der Behandlung von biologisch gerei- nigtem Abwasser vergleichbar h5her ist. In Filterversuchen wurde die Adsorptionsfahigkeit von Herdofenkoks mit der von entkieseltem Wasserreinigungskoks verglichen. In den Filter versuchen wurde das bereits in den Ruhrversuchen ermittelte Ergebnis bestatigt, daB generell die erreichte CSB-Beladung die Phenolbeladung ubertrifft. Der entkieselte Wasserrei nigungskoks wies gegenuber dem Herdofenkoks ein urn den Fak tor 2 h5heres Adsorptionsverm5gen bei der Reinigung von • CSB = Chemischer Sauerstoff-Bedarf - 2 - Phenolwasser auf; jedoeh ergab sieh ein vergleiehbares Ad sorptionsvermogen in bezug auf das biologisch gereinigte Abwasser. Da der Herdofenkoks ein groBeres Makroporenvolumen als der entkieselte Wasserreinigungskoks aufweist, wird ver mutet, daB groBere MolekUle, wie sie beim biologiseh ge reinigten Abwasser anfallen, begUnstigt adsorbiert werden. Anhand der Versuchsergebnisse wurden die Investitions- und Jahreskosten einer Adsorptions-Anlage als weitergehende Abwasserreinigung ermittelt. Bei den Rechnungen wurde er sichtlich, daB eine Adsorptionsanlage mit Braunkohlenkoks erheblich preisgUnstiger ist als eine entsprechende Anlage bei Verwendung von Aktiv-Kohle fUr Wasserreinigungszwecke. Ferner wurden die Investitions- bzw. jahrlich anfallenden Betriebskosten einer chern. Abwasserbehandlung (Vorfallung und Nachfallung) mit einem Adsorptionsverfahren verglichen. Es wurde festgestellt, daB der Einsatz von Braunkohlenkoks, sowohl aufgrund des erzielbaren Reinigungseffektes gegen Uber schwer abbaubaren, gelosten organischen Stoffen als auch in bezug auf die Kosten als weitergehende Abwasser reinigungsstufe Vorteile bietet. - 3 - 2. Einleitung und Problemstellung Die Zunahme der Verschmutzung von Oberflachenwassern, vor allem durch schwer abbaubare organische Stoffe, erfordert die Entwicklung und den Einsatz physikalisch chemischer Verfahren zur Abwasserbehandlung. In den letzten Jahren sind zahlreiche physikalisch chemische Behandlungsverfahren unter dem Oberbegriff einer sog. weitergehenden Reinigung diskutiert worden, wobei der Abwasserbehandlung mit Aktivkohle besondere Aufmerksarnkeit zukommt. Da die konventionellen Abwasserreinigungsverfahren im kommunalen Sektor den gestellten Anforderungen nur bedingt nachkommen, kann hier eine weitergehende Reinigung mit Adsorptions koksen notwendig sein. Die Kostensituation einer Abwasserreinigung durch Aktivkohlebehandlung zeichnet sich durch hahe Betriebs kosten aus, die hauptsachlich durch den Preis der Aktivkohle und durch die Aktivkohleverluste bei der Regenerierung bedingt sind. Bei dem zurn Einsatz vorge sehenen Braunkohlenkoks handelt es sich urn einen Koks aus einer Massenproduktion. Daher konnte die Abwasserbehandlung mit diesem Koks gunstiger sein, als die mit der handels ublichen Aktivkohle. Zur Bestimmung der Adsorptionsfahigkeit der Braunkohlen kokse sind Reihenuntersuchungen im Institut fur Eisen huttenkunde der RWTH-Aachen unternommen worden. Als orga nische Verunreinigung wurde mit Phenol angereichertes Leitungswasser eingesetzt'). Die Versuche zeigten, daB von den unvorbehandelten Braunkohlekoksen der aerdofen~ koks bei der Entphenolung am gunstigsten abschnitt. Aus diesem Grund wurde versucht, die Adsorptionsfahigkeit dieses Kokses durch gesteuerte Teilvergasung (Aktivierung) zu erhohen. - 4 - Die Abwasser, die in der Praxis vorliegen, sind jedoch von einer solch komplexen Natur, daB man nicht ohne wei teres die bisher mit einem Schadstoff gewonnenen Erkenntnisse aus der Reinigung des Modellabwassers auf die Praxis ubertragen kann. Deshalb war es notwen dig, mit biologisch gereinigtem Abwasser weitere Ver suche durchzufuhren. - 5 - 3. Einzel - Untersuchungen 3.1 ~r2b~nyo~b~r~i1u~g_d~r_k2~u~ale~ ~b~~~s~r_a~s_d~r !l!r~nla~e_A~che~-~o~r~ FUr die RUhr- und Festbettfilter-Versuche sind Ab wasserproben vom Ablauf des NachklHrbeckens der bio logischen Stufe entnommen worden. FUr die RUhrversuche wurde ein automatisches Proben nahmegerHt (Fa. Contec, NHE 4 B/1) verwendet, das alle halbe Stunde eine Probe von etwa 300 ml entnahm. Nach 24 Stunden wurden die Proben zusammengemischt. AnschlieBend wurde die durch ein Membran ~1ischprobe filter geleitet, urn schwebestoffreies Abwasser zu er halten. Die benotigte Abwassermenge fUr den ersten und zweiten Durchlauffilterversuch wurde mit lIilfe einer Schlauch pumpe 24 Stunden lang dem NachklHrbecken entnommen. Die Abwasserprobe wurde anschlieBend in einem Sandfilter (Kornung 0,8 - 1 mm) mit einer Filterdurchlaufgeschwindig keit von ca. 40 - 60 l/h filtriert. FUr jeden Versuch wurden zwei Abwasserproben je ca. 150 1 eingesetzt. Dabei wurde darauf geachtet, daB die Proben vor ihrem Einsatz nicht alter als drei Tage waren. FUr den 3. und 4. Durchlauffilterversuch wurden Abwasser proben (ca. 90 1) einmal pro Tag urn 13.00 Uhr entnommen und anschlieBend wie beim 1. und 2. Versuch in einem Sandfilter bei einer Filtergeschwindigkeit von ca. 40 - 60 l/h filtriert. Da die verwendeten Aktivkohlen wasserlosliche Verunrei nigungen enthielten, war eine Vorbehandlung notwendig. Die Aktivkohleproben wurden mit 10% HCl-Losung zun~chst zweimal gewaschen. AnschlieBend sind sie mit entsalztem Wasser grUndlich nachgespUlt worden (1. Vorbehandlung). Um festzustellen, ob die A-Kohle noch wasserlosliche Ver-
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