Ammoniumrückgewinnung aus Schlammwasser mittels Ionenaustausch an Klinoptilolith

Abstract

Da es eine große Gefahr für Gewässer darstellt, wird im Abwasser enthaltenes Ammonium unter hohem Energieaufwand entfernt. In Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung wird die biologische Stickstoffelimination durch hochkonzentriertes Schlammwasser, das bei der Entwässerung von Faulschlamm anfällt, zusätzlich belastet. Die Produktion von Ammoniak, der ungeladenen Form des Ammoniums, der für die Düngemittelproduktion benötigt wird, ist sehr energieintensiv. Eine mögliche Lösung sowohl für die sichere Behandlung des ammoniumreichen Schlammwassers als auch für die energieintensive Herstellung (stickstoffbasierter) Düngemittel ist die Rückgewinnung von Ammonium aus dem Schlammwasser. In dieser Arbeit werden verfahrenstechnische Parameter zur Entfernung von Ammonium aus Schlammwasser mittels Ionenaustausch an dem natürlichen Zeolith Klinoptilolith (CLI) und dessen anschließende Regeneration ermittelt, mit dem Ziel eine stöchiometrische Ammoniumsulfatlösung (ASL) zu gewinnen. Die Verwendung des ammoniumhaltigen Eluats als Düngemittellösung im Agrarsektor, etwa durch gezielte Ausbringung auf Ackerflächen oder als flüssige Düngemittellösung in Hydroponik-Kulturen, ist denkbar. CLI war bereits Gegenstand vieler Untersuchungen, da es sehr selektiv gegenüber Ammonium ist und eine hohe Aufnahmekapazität besitzt. Um einen schnellen Sorptionsprozess zu erreichen, wurden daher pulverförmige CLI mit einer Partikelgröße von 0-200 µm verwendet. Es wurden drei aus der Slowakei stammende CLI, EcoZeo 20, Micro 200 und CCP 20, auf ihre Eignung als Sorbens untersucht. Aufgrund seiner Eigenschaften (hohe Kationenaustauschkapazität, hohe Ammoniumaufnahmekapazität, schnelle Sorption) wurde das Sorbens CCP 20 für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Bei isothermen Adsorptionsversuchen von Ammonium an CCP 20 aus zwei Schlammwässern (718-967 mg/L NH4 N) wurde eine um 13 % (16,1 mg/g aus SW1) bzw. 18 % (15,3 mg/g aus SW2) geringere Beladung im Vergleich zu matrixfreier Sorptivlösung (18,8 mg/g aus NH4Cl) erreicht. Nach 30 min Kontaktzeit (bei einer Temperatur von 34 °C) waren zwischen 81 % (SW1), 89 % (SW2) und 91 % (NH4Cl) der maximal möglichen Beladung erreicht. Am besten wurde die Sorptionskinetik für beide Matrices durch das Modell der intrapartikulären Diffusion beschrieben. Zur Regeneration des beladenen Sorbens wurde Na2SO4-Lösung mit unterschiedlichen Stoffmengen an NaOH eingesetzt. Um eine möglichst hohe Ammoniumkonzentration im Eluat zu erreichen wurde ein hoher Massenanteil (ω = 284 g/kg), d. h. der Anteil der Sorbensmasse in der Mischung von Sorbens und der Regenerationslösung, gewählt. Unter Einhaltung einer Kontaktzeit von 10 min konnte aus (bis zu 13,5 mg/g) beladenem Sorbens, mit 0,25 n(Na2SO4)/n(NH4+ads) zusammen mit 0,75 n(NaOH)/n(NH4+ads) eine ASL eluiert werden. Für zehn Zyklen wurde das Sorbens mit Ammonium aus matrixfreier NH4Cl-Lösung bzw. SW2 beladen und anschließend regeneriert. Dabei konnte eine ASL mit einer Ammoniumkonzentration von 1780 mg/L (NH4Cl) bzw. 1500 mg/L (SW2) eluiert werden. Da keine biologischen Vorgänge in dem Verfahren eingebunden sind, ist die Behandlung industrieller Abwässer mit hohen Ammoniumkonzentrationen in Kombination mit hemmenden Stoffen denkbar.