Wissenschaftliche, effiziente und kostengünstige Behandlung von Abwasser aus der anaeroben Vergärung

Die Ressourcennutzung von Abfällen ist wichtig für den Aufbau einer ökologischen Zivilisation. Landwirtschaftliche Abfälle enthalten reichhaltige erneuerbare Ressourcen und haben ein hohes Potenzial für die Düngung und Energieumwandlung. Die Technologie der anaeroben Vergärung ist für die Behandlung landwirtschaftlicher Abfälle vielversprechend.

Unter anaerober Vergärung versteht man die Art und Weise, wie organisches Material durch fakultative Bakterien und anaerobe Bakterien unter anaeroben Bedingungen in CH4, CO2, H2O und H2S zersetzt wird, wodurch festes organisches Material in lösliches organisches Material umgewandelt werden kann. Es bietet nicht nur die Vorteile einer stabilen Verarbeitung und niedriger Betriebskosten, das erzeugte Biogas kann auch als saubere Biomasseenergie genutzt werden, wodurch die Luftverschmutzung verringert wird.

Der aus dem anaeroben Gerät ausgetragene Gärrest (LFD) weist jedoch einen hohen chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) und eine hohe Phosphatkonzentration auf. Wenn es ohne angemessene Behandlung direkt eingeleitet wird, kann es Risiken bergen, wie etwa die Eutrophierung des Wassers für die Umwelt. Darüber hinaus kann LFD aufgrund seines hohen Nährstoffgehalts als organischer Dünger verwendet werden, um den Einsatz von Mineraldünger zu reduzieren und den Ernteertrag zu steigern. Allerdings ist die direkte Anwendung als Düngemittel immer durch die Vegetationsperiode und die verfügbare Ackerfläche begrenzt, und die langfristige Anwendung von LFD auf landwirtschaftlichen Flächen kann zum Verlust von Nährstoffen im Boden führen. Die in LFD angesammelten schädlichen Metalle bergen die Gefahr einer Migration in Pflanzen.

Es wurden verschiedene Behandlungstechnologien für LFD beschrieben, darunter chemische Fällung, Flockungs-Koagulation, Luftstrippung, Membrantrennung, Ionenaustausch, Adsorption, Verdampfung, chemische Oxidation oder Tiefenoxidation sowie Mikroalgenkultivierung. Die chemische Fällung ist eine in der Abwasseraufbereitung weit verbreitete Vorbehandlungsmethode mit dem Ziel, Phosphate, Schwermetalle und organische Schadstoffe zu entfernen. Das Prinzip besteht darin, durch die Reaktion von Metall- und Nichtmetallionen unlösliche Niederschläge zu bilden und diese dann durch Filtration oder Sedimentation zu entfernen.

Im Vergleich zu anderen LFD-Behandlungstechnologien bietet die chemische Fällung die Vorteile einer einfachen Konfiguration und geringer Investitionskosten. Allerdings besteht auch das Problem hoher Betriebskosten aufgrund des Chemikalienverbrauchs im Prozess. Um die großtechnische Anwendung dieser Technologie voranzutreiben, ist die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Fällungsmittel und neuer Behandlungsverfahren erforderlich.

Kohleflugasche, als Nebenprodukt von Kohlekraftwerken, hat weltweit eine besonders große Produktion. Die weltweite Produktion von Kohleflugasche betrug im Jahr 2019 etwa 11 Gt, wovon 53 % für Baumaterialien verwendet wurden und der Rest auf Mülldeponien verbracht wurde. Es beansprucht nicht nur Landressourcen, sondern erhöht auch die Behandlungskosten aufgrund der kontinuierlichen Verringerung der für die Deponierung verfügbaren Fläche. Es ist von entscheidender Bedeutung, neue Verwendungsmöglichkeiten für Flugasche zu entwickeln.

Aufgrund der hohen Alkalität und des hohen Metallgehalts von Flugasche kann sie zur chemischen Fällung von LFD verwendet werden, es gibt jedoch nur wenige Berichte zu diesem Aspekt. Darüber hinaus kann die chemische Fällung auf der Basis von Flugasche-LFD gleichzeitig mehrere organische und anorganische Schadstoffe entfernen, ihre Verwendung birgt jedoch immer noch das Problem, dass sich alkalische Mineralien (wie OH–, Ca2+ und Mg2+) und Schwermetalle in der Flugasche in LFD auflösen wird die Kosten und das Umweltrisiko der Abwassernachbehandlung erhöhen.

Um diese Probleme anzugehen, haben die Autoren von ein Papier veröffentlicht in Grenzen der Agrarwissenschaft und -technik untersuchten eine neue Methode, nämlich die chemische Fällung auf Basis von Flugasche und CO2-Mineralisierung, zur effizienten Entfernung von Schadstoffen in LFD. Diese Studie ermittelte die technische Machbarkeit dieses Prozesses, untersuchte den möglichen Mechanismus der Reaktion, untersuchte die Entfernungsrate von pH-Wert, elektrischer Leitfähigkeit (EC), Gesamtphosphor (TP), CSB und Schwermetallen während des Behandlungsprozesses dieses Prozesses. und analysierte die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Flugasche und LFD vor und nach dem Experiment, um den Reaktionsmechanismus zu bestimmen.

Die Studie ergab, dass der pH-Wert und der EC-Wert der behandelten LFD mit zunehmender Flugaschekonzentration anstiegen, da sich die Metalloxide oder -hydroxide in der Flugasche in LFD auflösten, wodurch die Konzentration von OH– und Metallionen in LFD zunahm. Der pH-Wert und der EC-Wert von LFD nach der chemischen Fällung auf Flugaschebasis sanken nach der Behandlung mit CO2-Blasen. Im Experiment stieg die Effizienz der COD-Entfernung mit zunehmender Flugaschekonzentration und erreichte einen Höchstwert von 93,8 %.

Die Entfernung von TP durch chemische Fällung auf Flugaschebasis war noch signifikanter und erreichte selbst bei niedrigen Flugaschekonzentrationen 80 % und stieg mit zunehmender Flugaschekonzentration weiter auf 98 % an. An den behandelten und unbehandelten LFD-Proben wurden Auslaugungsexperimente durchgeführt, und es wurde festgestellt, dass die Konzentration der aus den behandelten Proben freigesetzten toxischen Ionen viel niedriger war als die der unbehandelten Proben.

In dieser Studie wurde Flugasche als chemisches Fällungsmittel zur Entfernung von CSB und TP in LFD mit guten Ergebnissen verwendet. Das sprudelnde CO2 nach der chemischen Fällung auf Flugaschebasis trägt dazu bei, den pH-Wert von LFD zu neutralisieren, den EC zu senken und einige giftige Ionen zu entfernen. Das aufbereitete LFD kann die Anforderungen an Bewässerungswasser erfüllen.

Die theoretische Bedeutung dieser Studie besteht darin, dass sie eine kostengünstige und effiziente Methode zur Behandlung anaerober Gärreste untersucht und eine neue Idee für die Ressourcennutzung landwirtschaftlicher Abfälle liefert. Die praktische Bedeutung besteht darin, dass mit dieser Methode Schadstoffe aus anaeroben Gärresten wirksam entfernt, negative Auswirkungen auf die Umwelt verringert und hochreine Calciumcarbonatprodukte mit potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen bereitgestellt werden können.