Elektrokoagulation (EC) zur (Ab-)Wasseraufbereitung
1. Theorie hinter dem Prozess
Wenn elektrischer Strom an Fe-Platten angelegt wird (dasselbe passiert für Al), werden in situ Fe-Hydroxidsalze (Fe-Ausfällung) aufgrund der Auflösung von Fe(0)-Opferanoden gebildet. Fe (0) oxidiert zu gelöstem Fe (II), das dann weiter zu Fe (III) oxidiert. An der Kathode wird Wasser zu Wasserstoffgas (H2) und Hydroxylionen (OH-) reduziert, und diese Hydroxylionen können sich mit den Metallionen verbinden, um Metallhydroxide zu bilden. Die Bildungsrate dieser Spezies hängt direkt von der angelegten Stromstärke ab, da ihre Bildung durch Elektronentransfer begrenzt wird. Metallionen und Metallhydroxide wirken dann nach ihrer Bildung als Koagulationsmittel im Koagulationsprozess. Der pH-Wert ist ein wichtiger Faktor bei der EC-Behandlung, da er die Speziation der gebildeten Metallionenkomplexe (Fe(OH)2+, Fe(OH)4- , Fe(OH)3 , Fe2(OH)2 4+), wie in Abbildung 1.2 gezeigt, und aufgrund ihrer Polarität ziehen sie Schadstoffe an. Die meisten dieser Komplexe lösen sich schlecht in Wasser auf und werden daher ausfallen und Schadstoffe aus dem Wasser entziehen.
Eine Übersicht über die Reaktionen, die bei der EC-Behandlung stattfinden, ist in Abbildung 1.1 gegeben.
Abbildung 1‑2 Metallkomplexe entsteht während der Al- und Fe-Electrocoagulation
2. EC-Vorteile
Die Stärke der Technologie liegt in der Entfernung einer Vielzahl von Schadstoffen:
- COD / BSB
- Metall- und Schwermetallionen
- Schwebstoffe
- Phosphate
- Kolloidale Feststoffe
- Farbige Verbindungen
- Gelöste Feststoffe
- Tenside
- Fett, Öl und Fett
- Silika
- Härte
- Diesel
- Komplexe organische Verbindungen
- Bakterien und Viren
Die Vorteile der Electrocoagulation sind neben dem breiten Spektrum an Schadstoffen, die entfernt werden können,:
- Keine zusätzliche Zugabe von Chemikalien
- Weniger Schlammproduktion
- Schlamm ist leicht zu entwässern (bis zu 60 % TS), ohne Zugabe von Chemikalien
- Geringere CAPEX und OPEX gegenüber klassischer physikalisch-chemischer Vorbehandlung
- Einfache Ausrüstung ohne bewegliche Elemente
- Farb- und geruchlose Behandlung
- Gute Absetzflocken
- Auch kleinste Kolloide entfernt
- Geringer Energieverbrauch
- Schlammabscheidung durch einfache Sedimentation
- Kompakte Bauweise in Container, Plug & spielen
- Geringer Platzbedarf
Abhängig von der Art des Abwassers kann die Technologie in einem ZLD-System implementiert werden als:
- Poliervorbehandlung
- Nachbehandlung
Abbildung 2‑1 Farbentfernung mit EC
Aufmerksamkeitspunkt
Die Leistung und Energieeffizienz hängen zwar von der Konfiguration der Electrocoagulationszelle und dem Anschluss der Anoden ab, hängen aber auch von den Reaktionen ab, die an der Elektroden-Lösungs-Grenzfläche auftreten.
Insbesondere hemmt die Bildung von passiven Filmen oder Oxiden die Auflösung und schränkt die Ladungsübertragungsreaktion an der Anoden-Lösungs-Grenzfläche ein, was zu einem übermäßigen Stromverbrauch führt und die Energieeffizienz des Verfahrens verringert. Übermäßiger Energieverbrauch, gleichmäßige Auflösung und Verschmutzung der Anoden sind die Hauptprobleme, die auftreten können.
Mit dem EColoRO-Know-how ist es QStone Capital und Lenntech gelungen, diese Probleme durch Optimierung des Designs in Bezug auf Hydraulik und elektrische Lösungen zu überwinden.
3. Das EC-System
Der Electrocoagulationsreaktor ist der Reaktor, der das Abwasser elektrochemisch behandelt. Die Behandlung entfernt die CSB/BSB-Partikel, Kieselsäure, TSS, Trübung, Schwermetalle, Härte, teilweise Stickstoffbestandteile, Phosphat und Farbe. Alle diese Bestandteile werden in den Koagulationsflocken aufgefangen und durch Sedimentation oder Flotation aus dem Wasser entfernt.
Im Allgemeinen besteht die Electrocoagulationseinheit aus:
- Screening und Neutralisierung
- EG-Reaktor
- Gerinnungsbehälter
- Flotations- oder Sedimentationseinheit
- Salz-/Chemikalienvorratsbehälter + Dosierpumpen
- Wechselrichter, die den erforderlichen Strom liefern
- Externe Filterpresse/Entwässerungssystem
4. Anwendung
Angesichts der Vielfalt der Schadstoffentfernung kann die EC-Technologie auf die folgenden Branchen angewendet werden:
- Textil
- Zellstoff und Papier
- Automobil
- Chemie und Pharmazeutik
- Kosmetik und Waschmittel
- Flughäfen
- Malerei
- Fester Abfall
- Kunststoff
- Brauereien und Weingüter
- Schlachthöfe
- Haushalt und Hotel
- Obst und Gemüse
- Ballastwasseraufbereitung
- Kühltürme
5. Beispiele für vollständige Systeme
Die standardisierten dezentralen Systeme basieren auf dem zu behandelnden Fluss:
- 25-50 m3/ Tag – 20-Fuß-Container
- 100-300 m3/ Tag – 20-Fuß-Container
- 300-500 m3/ Tag – 40-Fuß-Container
- Höher als 500 m3/Tag – Mehrere 40-Fuß-Container
Beispiel 1. Pilotanlage mit 1 m3/h
Abbildung 5‑1 EColoRO Pilot
Beispiel 2. Brauereiunternehmen in Uganda
- Futter: anaerobes Abwasser
- Kapazität: 25 m3/h
- Ziel: Entfernung von Phosphaten
Abbildung 5‑2 EC-System installiert in einer Brauerei in Uganda
Abbildung 5‑3 Innenansicht des an eine Brauerei in Uganda gelieferten EC-Systems
Beispiel 3. Industrieller Abfallverarbeiter in den Niederlanden
- Feed: Perkolatdeponie (Schlacke und Baggergut)
- Kapazität: 25 m3/h
- Ziel: Schwermetallentfernung
Abbildung 5‑4 Deponiewasseraufbereitungsanlage
Beispiel 4. Industrieller Abfallbeseitiger in den Niederlanden
- Feed: percolate landfill (bottom ash and dredging spoil)
- Capacity: 25 m3/h
- Goal: heavy metal removal
Abbildung 5‑5 Asche aus der Müllverbrennung
Beispiel 5. Textilfärberei in Tamil Nadu, Indien
- Feed: Textilfärben & Waschvorgang
- Kapazität: 25 m3/h
- Ziel: CSB, Farbe, Härteabbau
Abbildung 5‑6 EC-System in Indien in Betrieb genommen
Abbildung 5‑7 Farbentfernung in Textilabwässern
6. Hintergrundverlauf
QStone und EColoRO arbeiten seit 2019 gemeinsam an der Anwendung von EC in Asien. Als EColoRO im Jahr 2020 leider Insolvenz anmelden musste, gründete QStone unter Beteiligung der Gründer von EColoRO die Tochtergesellschaft QStone EC Water Treatment Solutions und nahm den ehemaligen leitenden Verfahrensingenieur von EColoRO auf seine Gehaltsliste.
Im Jahr 2021 begannen QStone EC und Lenntech zusammenzuarbeiten, um die weitere Einführung der EC-Wasseraufbereitungstechnologie in Europa und darüber hinaus zu verbessern.