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11. Februar 2020

4. Reinigungsstufe von ARA

Wenn Kohle lebt...

Kann extrudierte Kohle mehr Mikroverunreinigungen eliminieren als natürliche Kohle? Auf der ara region bern ag wurde zu dieser Frage während vier Monaten geforscht und Versuche mit granulierter Aktivkohle durchgeführt. Die Vergleiche zeigten zum einen, dass die natürliche Kohle der extrudierten überlegen ist, zum andern, dass es drei Phasen mit unterschiedlichen Mechanismen gibt, bei denen die Biologie in der letzten Phase die Elimination ausmacht.
David Meyer 

WIE WÄR’S MIT EXTRUDIERTER KOHLE?

«Alles Gescheite ist schon gedacht worden, man muss nur versuchen, es noch einmal zu denken.» Die ara region bern ag (arabern) nahm sich Goethes Worte zu Herzen und ging das Thema Elimination von Mikroverunreinigungen (EMV) frisch an. Denn obschon viel zu diesem Thema geschrieben wurde – es gibt immer wieder neue Blicke darauf. Diesmal steht die Frage im Raum, ob extrudierte Kohle bessere Eliminationsraten erzielt als natürliche Kohle, wenn man sie als GAK (granulierte Aktivkohle) im Wirbelbett einsetzt.

Extrudierte Kohle

Bei extrudierter Kohle handelt es sich um Kohlekörner, die als Granulat künstlich erzeugt werden. Dabei wird natürliche Pulverkohle mit hohem Druck und einem Verbundmittel versetzt durch Düsen gedrückt, zu zylindrischen Pellets gepresst und aktiviert. Die Pellets können auf gewünschte Grösse und Durchmesser geformt werden, weshalb sie die Literatur als «Formkohle» bezeichnet. Die Struktur der Pellets gilt als poröser als jene von natürlicher Kohle und die Hohlräume im Korn sind gleichmässiger verteilt.
Wenn dank diesen beiden Eigenschaften das Abwasser mit den Mikroverunreinigungen (MV) leichter ins Korninnere gelangt und die Aktivkohle rascher beladet, so wäre möglicherweise eine raschere Elimination zu erwarten. Dadurch würde der Volumenbedarf der MV-Stufe sinken und somit die Baukosten einer EMV-Stufe. Die Körner von extrudierter Kohle zeigen zudem ein hydraulisch robusteres Verhalten, sodass sie das Kohlebett schneller durchfliessen können und man somit mehr Wasser pro Quadratmeter Bodenfläche behandeln könnte. Zudem dürfte man vermuten, dass durch die gleichmässige Hohlraumverteilung die Kohlenkörner durchgehender beladen werden und keine unbeladenen Hohlräume ungenutzt in die Wiederaufbereitung gegeben würden, wie es bei natürlicher Kohle eher zu erwarten ist.
Allerdings – so die Gegenthese – erzeugt die Extrusion nicht die für die Adsorption relevanten, gewünschten kleinen Hohlräume der Mikroporen, wie sie natürliche Kohle aufweist. Es könnte sogar sein, dass das Verbundmittel zwischen den Kohlekörnern die adsorbierende Oberfläche zu sehr reduziert, als dass die extrudierte Kohle gegenüber natürlicher Kohle einen Vorteil hätte.
Unbestätigt ist auch, ob die extrudierte Kohle als Korn wochenlang im Wasser intakt und ohne zu zerbröckeln intakt bestehen bleibt. Dies gilt es zu testen.

Der Vergleich

Versuchsanlage

Die Versuche wurden als GAK im Wirbelbett aufgesetzt und im Zeitraum vom 2. Juli bis zum 1. November 2019 durchgeführt. Das verwendete Abwasser wurde nach Biologie und GUS-Filter abgezweigt und ist entsprechend klar (rund 5 g/m3 GUS). Als Vergleichsmessung wurde zeitgleich und parallel dazu im baugleichen Reaktor und mit gleichen Betriebskonditionen (Wasserqualität, Steiggeschwindigkeit …) natürliche GAK (0,6 mm, sog. Micro-GAK) eingesetzt. Die Reaktoren waren 2,2 m hoch mit einem Durchmesser von 30 cm. Beide Betthöhen betrugen zum Start 1,4 Meter (Fig. 1).
Im Messzeitraum wurde bewusst keine Frischkohle in die Reaktoren zugegeben. Hingegen wurde im Verlaufe der Versuchsdauer mit unterschiedlichen Steiggeschwindigkeiten operiert.

Reagiert extrudierte Kohle stärker?

Extrudierte Kohle zeigt sich weniger eliminationsstark als natürliche Kohle. Dies würde ein leerer Versuch bedeuten, wären da nicht unerwartete Beobachtungen gemacht worden.
In einer Anfangsphase durchfloss das Wasser die Reaktoren mit einer Geschwindigkeit von 18 m/h. Die Eliminationsraten unterscheiden sich zu Beginn, wo die Kohle noch frisch ist, deutlich. Natürliche granulierte Aktivkohle (nGAK) zeigt bis rund 2500 durchflossenen Bettvolumen (BV) eine quasi 100% Eliminationsrate, welche danach absinkt, um bei rund 6000 BV auf eine konstante Rate zu kommen. Bei extrudiertem GAK (eGAK) fällt die Eliminationsrate beinahe von Anfang an deutlich bis auf 40% ab, um sich danach zu erholen und sich ebenfalls bei 6000 durchflossenen Bettvolumen bei rund 60% einzupendeln.
In den Figuren 2-4 sind auf der x-Achse die Anzahl durchflossener Bettvolumen und auf der y-Achse die gemessenen und hochgerechneten Eliminationsraten aufgetragen.
Die Messungen erfolgten mit der Methode UV-Absorbanz bei 254 nm (Spektraler Absorptionskoeffizient bei Wellenlänge 254 nm). Die Methode wird bei der Real-Time-Steuerung auf Kläranlagen verwendet und gilt in der Literatur [1] als zuverlässig korrelierend mit den Labormessungen der zwölf Leitsubstanzen der EMV.

Ist die Talsohle zufällig? 

Parallel zu den Versuchen von eGAK und nGAK wurde ein dritter Reaktor mit eGAK, jedoch mit höheren Betriebsparametern, angesetzt: Die ruhende Betthöhe lag dort auf 2,2 m (im Gegensatz zu 1,4 m bei eGAK), weshalb er im Weiteren als eGAK-Hoch bezeichnet wird. Zudem beträgt die Steiggeschwindigkeit bei eGAK-Hoch immer das Doppelte des eGAK-Reaktors (Fig. 3).
Auch eGAK-Hoch zeigt eine Talsohle, die vergleichbar mit der von eGAK ist, jedoch tritt sie auf Grund des Verhältnisses Betthöhe zu Steiggeschwindigkeit bereits bei 3000 durchflossenen Bettvolumina ein. Die Eliminationsrate erholt sich danach wieder und geht ab knapp 5000 BV in eine Rechtsbewegung über. Die Talsohlen bei eGAK-Hoch und eGAK stammen von unterschiedlichen Tagen und Messungen, weshalb die Zusammensetzung des Zulaufwassers bzw. die Messung als Ursachen für die Talsohlen wegfallen. Diese Resultate von eGAK, eGAK-Hoch und nGAK signalisieren, dass die Eliminationsrate im Verlaufe der Zeit von mehr als nur vom Kohlekorn selber und dessen Adsorptionsfähigkeit erzielt wird. Offenbar gibt es einen weiteren Mitspieler, der eine Eliminationsleistung erbringt und der erst greift, nachdem die Kohle bereits eine gewisse Zeit in Gebrauch war. Während bei eGAK die Adsorptionsfähigkeit des Korns bereits erschöpft ist, bevor der weitere Mitspieler effektiv wird und dadurch eine Talsohle entsteht, geht bei nGAK die mit der Adsorptionsfähigkeit des Korns verbundene Eliminationsrate nahtlos über in die durch den weiteren Mitspieler erzeugte Elimination.

DER WEITERE MITSPIELER

Es muss sich um einen regenerativen Mitspieler handeln, denn die Eliminationsrate von eGAK und eGAK-Hoch erholen sich beide unabhängig voneinander wieder und sind danach konstant. Die Rechtsbewegung pendelt dabei auf einem Niveau bei 55 bis 65% und bleibt da während Wochen, was zu lange wäre für eine reine Adsorptionsleistung durch Kohle. Letztere müsste mit der Zeit erschöpft sein und die Eliminationsrate somit absinken. Daraus leitet sich ab, dass der weitere Mitspieler bei der Elimination von MV eine Biologie ist. Im vorliegenden Versuch tritt der Effekt der Rechtsbewegung bei allen verwendeten Kohlen erst nach einer gewissen Zeit auf, welche die Biologie offenbar benötigt, um anzusiedeln. Betrachtet man die Eliminationsraten bei rund 20 000 BV (rund 4 Monate Betrieb) und bei 8 m/h Steiggeschwindigkeit schwankt sie immer um die 62% und dies bei beiden Kohlentypen eGAK und nGAK (Fig. 4).

Eliminiert GUS?

Das Abwasser wird nach der GUS-Filtration bezogen und führt rund 5 g/m3 an Schwebestoffen und Biologie (GUS) mit, die sich zunehmend im Reaktor akkumulieren. Um zu prüfen, ob die eingeschwemmte Biologie für die Elimination verantwortlich ist, wurden alle paar Wochen gezielt Spülungen der Reaktoren mit Luft-Wasser durchgeführt und die GUS ausgeschwemmt. Das braun-schwarze Spülwasser wies darauf hin, dass massgeblich GUS aus dem Reaktor entfernt wurde. Die neue, ruhende Betthöhe lag nach der Spülung jeweils tiefer als zuvor.
Bei keiner der Messungen konnte ein Unterschied zwischen der Eliminationsrate vor der Spülung und danach festgestellt werden. Die eingeschwemmte Biologie ist demnach nicht der Urheber der Eliminationsleistung, sondern es muss sich um eine spezialisierte Biologie handeln, welche die MV eliminiert. Es ist davon auszugehen, dass dieser Spezialist auf der Kohle sitzt.

Wo würde die Biologie sitzen?

Die relevantesten Oberflächen für die Adsorption bilden die Mikroporen im Innern des Korns. Die Anzahl der Mikroporen und die als Zubringer fungierenden Makroporen sind je nach Kohle sehr unterschiedlich. Da die Mikroporen extrem klein sind, wirken lediglich die Diffusionskräfte als Transportmechanismus, die das Wasser mit MV durch das Gewirr von Makroporen hindurch ins Korninnere bringen. Das Kohlekorn wird in der Literatur gerne mit der Struktur eines Schwamms verglichen (Fig. 5).
Sofern die Biologie irgendwo auf der Kohle festsitzt, siedelt sie nur auf dem Kornmantel? Oder wächst sie in die Poren der Kohlekörner hinein? Ein Grössenvergleich zwischen Kohlekorn, Poren und biologischen Zellen, wie es die Abbildung unten darstellt, lässt den Schluss zu, dass sich die Biologie lediglich auf der Kornoberfläche ansiedelt. Die Mikroorganismen sind zu gross, um in die Mikroporen der Kohle zu gelangen (Fig. 6). Ein «Abgrasen» der MV durch Mikroorganismen im Korninnern ist unrealistisch. Sofern die Mikroorganismen die MV als Nahrung von beladenen Oberflächen beziehen, so wäre das lediglich auf dem Kornmantel möglich.

Korndurchmesser und Oberfläche

Das Verhältnis von Korndurchmesser und Kornmantelfläche pro Würfelvolumen verläuft umgekehrt proportional, sodass die Eliminationsrate pro Bettvolumen ansteigt, je kleiner das Korn ist. Ein Modell von Kugeln in einem Würfel bestätigen dies, wonach der halbe Kugeldurchmesser die doppelte totale Kornmantelfläche im Würfel ergibt (Fig. 7). Je mehr Kornmantelfläche pro Würfelvolumen vorhanden ist, desto mehr Biologie siedelt sich an, und umso grösser ist die Eliminationsrate durch die Biologie. Deshalb sind kleinere Körner bezüglich Raumeffizienz den grösseren Körnern überlegen.

ELIMINATION IN PHASEN

Aus dem Vergleich der Kurven eGAK und nGAK zeigt sich, dass die Elimination in drei Phasen geschieht, die entlang des Kornalters ablaufen. Bei einem frischen Kohlekorn wirkt in einer allerersten Phase 1 die direkt erreichbare äussere Oberfläche eines Korns, also der Kornmantel. In einer Phase 2 machen die Mikroporen im Korninnern und deren Erreichbarkeit via Makroporen die Eliminationsrate aus. In der Phase 3 eliminiert die Biologie. Versuche Dritter mit einer Biologie auf dem Sandkorn haben gezeigt, dass Biologie auf Sand eine viel schlechtere Eliminationsrate aufweist als auf Kohle. Das Trägermaterial bleibt deshalb wichtig für die Höhe der Eliminationsrate durch eine Biologie. Bedenkt man, dass sowohl eGAK wie nGAK bei vergleichbarer Kontaktzeit in der Phase 3 gleiche Adsorptionsleistungen aufweisen, wird für weitere Betrachtungen davon ausgegangen, dass das Ausgangsmaterial Naturkohle in Phase 3 bei gleicher Korngrösse weitgehend unabhängig vom Korntyp (eGAK, nGAK) die gleiche Eliminationsleistung aufweist (Fig. 8).
Ab Phase 3 sind die Kontaktdauer zwischen Kohle und Wasser sowie die bewachsene Oberfläche aller Körner die beiden massgeblichen Faktoren für die Eliminationsrate.
Die Erkenntnis, dass es Phasen gibt, die unterschiedliche Mechanismen zur Elimination von Mikroverunreinigungen aufweisen, inspiriert für weitere Versuche und motiviert die arabern, innovative Konzepte zu prüfen, um sie in die geplante EMV-Stufe miteinzubeziehen.

Bibliographie

[1] Wunderlin, P. (2017): Konzepte zur Überwachung der Reinigungsleistung von weitergehenden Verfahren zur Spurenstoffelimination.
https://www.micropoll.ch/fileadmin/user_upload/Redaktion/Dokumente/02_Faktenblaetter/Konzepte_Betriebsüberwachung_FINAL_07022017.pdf

 

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