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K. Fischbach:
"Innovative Konzepte zur Vermeidung von Phosphatablagerungen bei gleichzeitiger Nährstoffrückgewinnung (P + N Dünger)";
Betreuer/in(nen): M. Zessner, L. Egle; Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft, 2016; Abschlussprüfung: 21.10.2016.

Auf Kläranlagen mit hohen Konzentrationen an gelöstem Phosphor (Orthophosphat, PO₄³⁻) im Faulschlamm kann es zu unerwünschten Ablagerungen von Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) oder Calciumphosphat (CaP) in Anlagenteilen vor, in oder nach der Schlammentwässerung kommen. Diese Ablagerungen führen zu Problemen im Betrieb und können bis hin zu einem vollständigen Ausfall von Anlagenteilen führen.
In dieser Diplomarbeit wurden mit dem Faulschlamm der Kläranlage Wiener Neustadt Versuche im Labormaßstab in Batch- und kontinuierlichem Betrieb durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, die Konzentration an gelöstem Phosphor im Faulschlamm oder in dem bei der Entwässerung anfallenden Trübwasser soweit zu reduzieren, dass es zu keinen unerwünschten Ablagerungen von MAP/CaP Kristallen kommt. Erster Schritt war die Erhebung der Ursachen für die unkontrollierten MAP/CaP Fällungen und die Identifikation möglicher kritischer Stellen auf der betrachteten Kläranlage.
In weiterer Folge wurde ein innovativer Ansatz zur Behandlung des Faulschlammes bzw. des Trübwassers der Kläranlage Wiener Neustadt ausgewählt. Bei diesem Ansatz wird zum einen durch Luftstrippung der pH-Wert von Faulschlamm oder Trübwasser erhöht und zum anderen durch Zugabe von Magnesium ein Fällmittel zu dosiert um den gelöst vorliegenden Phosphor kontrolliert auszufällen. Untersucht wurde, welche Einstellungen (Luftbedarf, Belüftungsintensität, pH-Wert, Fällmittelbedarf, Aufenthaltszeit) erforderlich sind, um den gelösten Phosphor kontrolliert und gesichert auszufällen. Darüber hinaus wurde untersucht, welchen Einfluss der Belüftungsprozess und die Zugabe von Magnesium Fällmittel auf die Entwässerbarkeit des Faulschlammes hat.
Die Versuche haben gezeigt, dass durch diesen innovativen Behandlungsansatz der gelöste Phosphor sowohl im Faulschlamm als auch im Trübwasser im kontinuierlichen Betrieb von über 400 mg PO₄³⁻/L auf teilweise deutlich unter 50 mg PO₄³⁻/L reduziert werden konnte. Eliminationsraten von 80-95% konnten somit beobachtet werden. Bei den erreichten PO₄³⁻ Konzentrationen kann die Wahrscheinlichkeit von MAP Ausfällungen in Anlagenteilen deutlich reduziert werden. Diese Ergebnisse können bei einem pH-Wert von rund 8,0, einer Aufenthaltszeit von weniger als einer Stunde und einer Magnesiumdosierung im Verhältnis Mg:P von 1:1 reproduzierbar festgestellt werden. Gleichzeitig konnte in erster Linie durch die Belüftung eine deutliche Verbesserung der Entwässerbarkeit des Faulschlammes festgestellt werden, was durch reduzierte Schlammentsorgungskosten wiederum einen positiven Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hat.
Positiver Nebeneffekt dieses Verfahrensansatzes ist der Anfall von MAP Kristallen, welche beispielsweise als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt werden können. Für diese mit freiem Auge sichtbaren Kristalle konnte sowohl im Trübwasser als auch im Faulschlamm ein sehr gutes Absetzverhalten beobachtet werden. Damit kann das anfallende MAP leicht aus einem Reaktor entfernt werden. Die Nährstoffgehalte des gewonnenen MAP lagen in den aus der Literatur bekannten Bereichen (P: ~12%, N: ~5%, Mg, ~10%). Die Schwermetallgehalte lagen deutlich unter den für P-haltige Düngemittel vorgeschriebenen Grenzwerten.
Auf Grundlage der gewonnenen Daten konnten zwei Konzepte für die Kläranlage Wiener Neustadt erarbeitetet werden. Mit diesen beiden Konzepten kann die Betriebssicherheit der Entwässerungsanlage deutlich erhöht werden und gleichzeitig ein wertvoller Nährstoff in Form von MAP rückgewonnen werden.

At treatment plants, high concentrations of dissolved phosphorus (orthophosphate, PO₄³⁻) in sludge can cause unwanted deposits of magnesium ammonium phosphate (MAP) or calcium phosphate (CaP) in parts of the treatment plant before, in or after the sludge dewatering process. These deposits lead to problems in operation and can result in up to a complete loss of system components.
In this thesis, sludge of the wastewater treatment plant Wiener Neustadt has been analysed in laboratory-scale tests. Batch tests have been accomplished, as well as tests in a continuous operation. The aim of these experiments was to reduce the concentration of dissolved phosphorus in the sludge or in the turbid water in order to reduce the risk of undesirable deposits of MAP/CaP crystals. First, the causes of uncontrolled MAP/CaP precipitations and possible critical spots on the considered WWTP have been identified.
Subsequently an innovative approach for the treatment of sludge or turbid water of the treatment plant Wiener Neustadt has been chosen. In this approach a controlled precipitation of dissolved phosphorus is guaranteed by air stripping where the pH from sludge or turbid water increases and secondly by adding magnesium. The goal was to find out what settings (air demand, ventilation intensity, pH, precipitant, residence time) are required to let the dissolved phosphorus precipitate in a controlled and secured way. In addition, the influence of the dewatering process of sludge by the aeration process or/and the addition of magnesium as precipitant was examined.
The experiments have shown that through this innovative treatment approach, a reduction of the concentration of dissolved phosphorus in the sludge and in the turbid water from more than 400 mg PO₄³⁻/L to lower than 50 mg PO₄³⁻/L even in continuous operation with elimination rates of 80-95% have been observed. With these low PO₄³⁻ concentrations, the risk of MAP precipitation in parts of the system can be significantly reduced. These results can be achieved at a pH value of about 8,0, a residence time of less than an hour and a magnesium dosage ratio Mg:P of 1:1. An improving of the dewatering process of sludge was observed primarily due to the ventilation process, which has a positive impact on the economics of the process by reducing sludge disposal costs.
A positive side effect of this process is the production of MAP crystals, which can be used for example as a fertilizer in agriculture. These crystals are visible to the naked eye and show a good settling behaviour in the turbid water and in the sludge. MAP crystals can be easily removed from the reactor. Tests have shown, that the nutrient contents of the MAP crystals were in a same range as indicated in literature (P: ~12%, N: ~5%, Mg, ~10%). The heavy metal concentrations were significantly lower than the limits for P-containing fertilizer.
Based on the data, two concepts for the wastewater treatment plant Wiener Neustadt were proposed. With these two concepts, the operational reliability of the dewatering process can be significantly increased and at the same time a valuable nutrient in the form of MAP can be recovered.