Abschnitte

Was ist Elektrokoagulation?

Elektrokoagulation ist eine effektive und vielseitige Wasserbehandlungstechnik, da sie die Entfernung einer breiten Palette von Verunreinigungen aus verschiedenen Wasserarten ermöglicht, einschließlich industrieller Abwässer, Oberflächenwasser und Grundwasser.

Der Prozess besteht darin, die im Wasser vorhandenen Verunreinigungen, ob suspendiert, emulgiert oder gelöst, durch die Einwirkung von Gleichstrom mit niedriger Spannung und metallischen Elektroden, üblicherweise Aluminium/Eisen, zu destabilisieren.

Elektrokoagulationsanlagen sind kompakt und arbeiten kontinuierlich, wobei ein Reaktor verwendet wird, in dem metallische Elektroden angeordnet sind, um den Stromfluss zu erleichtern.

In diesem Prozess wird eine hohe Konzentration an Kationen erzeugt, die die elektrischen Ladungen der im Wasser vorhandenen Kolloide neutralisieren, was zur Bildung komplexer Metallhydroxide führt. Diese Verbindungen wirken als Koagulationsmittel und bilden Flocken, die dank ihrer Adsorptionskapazität Verunreinigungen aufnehmen. Die Flocken steigen aufgrund von Turbulenzen und der Verringerung ihrer scheinbaren Dichte durch während der Reaktion entstehende Gase an die Oberfläche.

Die chemischen Reaktionen, die im Elektrokoagulationsprozess ablaufen, sind wie folgt:

  • Anode: M⁺ + e⁻
  • Kathode: H₂O + e⁻
  • Hydroxid: M(OH)ₙ ↓ + OH⁻

H2-Gas wird freigesetzt, das an der Kathode aufsteigt.

Im Fall einer Fe-Elektrode lautet es:

  • Anode: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
  • Kathode: 2H₂O + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻
  • Hydroxid: Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂ ↓

Das folgende Diagramm zeigt die im Prozess beteiligten Reaktionen:

Eine Abwasserbehandlung mittels Elektrokoagulation besteht aus den folgenden Phasen:

  1. Neutralisierung der elektrischen Ladungen der Kolloide, erleichtert durch die an der Anode erzeugten metallischen Kationen.
  2. Adsorption der Verunreinigungen an den *in situ* gebildeten Metallhydroxid-Flocken, die als Koagulationsmittel wirken.
  3. Fällung der Verunreinigungen zusammen mit Korrosionsprodukten der Elektroden, hauptsächlich Eisen oder Aluminium, abhängig vom Anodenmaterial.
  4. Abtrennung durch Flotation, gefördert durch den Transport der Flocken durch Mikroblasen von Wasserstoff und Sauerstoff, die an Kathode bzw. Anode erzeugt werden.
  5. Oxidation und/oder Reduktion gelöster Substanzen dank der Redoxreaktionen im elektrochemischen Umfeld.

Andererseits findet eine chemische Oxidation statt, die die Umwandlung von Metallen und Verunreinigungen in ungiftige Spezies ermöglicht und die CSB/BSB deutlich abbaut.

Einer der Hauptvorteile der Elektrokoagulation ist ihre Fähigkeit, schwer behandelbare Verunreinigungen zu entfernen. Beispielsweise ist sie sehr effektiv bei der Entfernung von Kolloiden, Emulsionen, Schwermetallen und Mikroorganismen. Zudem handelt es sich um eine Technologie, die über die Zeit eine konstante Leistung aufrechterhält.

Bei der Planung einer Elektrokoagulationsanlage sind folgende grundlegende Faktoren zu berücksichtigen:

  • Elektrodentyp: Aluminium, Eisen oder Legierungen.
  • Elektrodenkonfiguration: monopolar, bipolar, in Reihe oder parallel.
  • Abstand zwischen den Elektroden: beeinflusst den elektrischen Widerstand.
  • Stromdichte: liegt zwischen 5 und 50 mA/cm².
  • Anfangs-pH: beeinflusst die Bildung aktiver metallischer Spezies.
  • Wasserleitfähigkeit: kann die Zugabe von Elektrolyten (NaCl, Na₂SO₄) erfordern.
  • Verweilzeit ist ein weiterer, fallabhängiger Faktor.

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil der Elektrokoagulation ist ihre Fähigkeit, komplexe organische Verbindungen im Wasser abzubauen, was mit herkömmlichen Wasserbehandlungsmethoden schwer zu erreichen ist.

Die Komponenten eines grundlegenden Elektrokoagulationssystems sind:

  • Elektrochemischer Reaktor mit untergetauchten Elektroden.
  • Gleichstromversorgung mit Spannungs- und Stromregelung.
  • Rührsystem zur Homogenisierung der Lösung.
  • Fest-Flüssig-Trenner, der ein Sedimentationsbecken, Filter oder Flotationsanlage sein kann, um die Flocken zu entfernen.

Elektrokoagulation ist eine sich ständig weiterentwickelnde Technologie, die bedeutende Fortschritte in folgenden Bereichen integriert:

  • Verwendung beschichteter inert Elektroden zur Verlängerung der Lebensdauer.
  • Hybridsysteme: EK + gelöste Luftflotation (DAF), EK + fortgeschrittene Oxidation.
  • Automatisierung mit pH-, Trübungs- und Leitfähigkeitssensoren.
  • Integration in dezentrale oder modulare Behandlungssysteme.

Anwendung der Elektrokoagulation in der Abwasserbehandlung

Wie im vorherigen Abschnitt angegeben, ist Elektrokoagulation ein effektiver Prozess zur Behandlung von Abwasser mit kolloidaler und/oder biologischer Verunreinigung.

Elektrokoagulation nutzt Elektrizität zur Entfernung von Verunreinigungen. Dabei werden Elektroden in das Abwasser eingeführt, die bei Anlegen eines elektrischen Stroms positive Ionen freisetzen. Diese Ionen binden sich an im Wasser vorhandene Verunreinigungen und bilden größere Aggregate, die leicht vom Wasser getrennt werden können.

Der Hauptvorteil der Elektrokoagulation ist ihre Wirksamkeit bei der Entfernung einer breiten Palette von Verunreinigungen, einschließlich Bakterien, Viren, Schwermetallen und organischen Verbindungen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil sind die niedrigen Betriebskosten, insbesondere im Vergleich zu anderen Wasserbehandlungsmethoden. Dies wird durch den geringen Energieverbrauch, das Fehlen von Koagulations- und Flockungsmitteln sowie die Nichtentstehung von toxischem Sekundärschlamm erreicht.

Zusammenfassend sind die Hauptvorteile der Elektrokoagulation für das Abwassermanagement:

  • Keine externe Zugabe von Koagulanten und Flockungsmitteln erforderlich.
  • Bildung effizienter Flocken.
  • Geringes Schlammvolumen.
  • Fähigkeit zur Behandlung komplexer Abwässer.
  • Modularer, automatisierbarer und energieeffizienter Prozess.

Einschränkungen umfassen:

  • Korrosion und Verschleiß der Elektroden (periodischer Austausch erforderlich).
  • Effizienz abhängig von pH und Leitfähigkeit.
  • Elektrodenpassivierung.

Elektrokoagulation wird erfolgreich in verschiedenen Sektoren angewendet, wie:

Sektor Entfernte Verunreinigungen
Textilindustrie Farbstoffe, Tenside, CSB, Schwebstoffe
Gerberei Chrom, Sulfate, Feststoffe, organische Substanzen
Lebensmittelindustrie Fette, Öle, Feststoffe, organische Belastung
Kommunales Abwasser Phosphate, Stickstoff, Mikroorganismen
Galvanik Schwermetalle (Cu, Zn, Ni, Cr), Cyanide
Zellstoff- und Papierindustrie Organische Substanzen, Feststoffe, Farbe

Vergleich mit physikalisch-chemischer Koagulation/Flockung

Elektrokoagulation zeichnet sich als effizienter, wirtschaftlicher und nachhaltiger Prozess aus, da keine externen chemischen Koagulanten oder Flockungsmittel zugegeben werden müssen, was die Umweltbelastung minimiert und die Behandlungskosten senkt. Zudem ist der entstehende Schlamm weniger voluminös, stabiler und leichter zu handhaben als bei anderen Koagulationsverfahren.

Dieser Prozess ist besonders nützlich zur Entfernung von Substanzen wie Ölen, Fetten, Schwermetallen, Farbstoffen und Mikroorganismen, wodurch Elektrokoagulation eine Referenztechnologie für die Abwasserreinigung darstellt.

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich mit dem konventionellen chemischen Koagulations-/Flockungsprozess:

Technik Energieverbrauch Reagenzienverbrauch Schlammerzeugung Platzbedarf Schlammtyp Wartung
Elektrokoagulation Moderat Keine Gering Gering Stabil Komplex
Koagulation/Flockung Niedrig Hoch Hoch Mittel Instabil Einfach

Trotz ihrer Vorteile ist die Elektrokoagulation nicht frei von Herausforderungen. Insbesondere der Energieverbrauch und die Elektrodenverwaltung erfordern besondere Aufmerksamkeit.

Technologische Fortschritte helfen jedoch, diese Nachteile zu überwinden, wodurch Elektrokoagulation eine zunehmend praktikable und attraktive Option für die Abwasserbehandlung wird.

Fazit

Elektrokoagulation ist ein einfacher Prozess, der relativ einfache Ausrüstung erfordert. Die erzeugten Flocken enthalten wenig Oberflächenwasser, sind beständig gegenüber sauren Medien und weisen eine gute Stabilität auf, was ihre Trennung durch Filtration erleichtert.

Darüber hinaus ist es eine kostengünstige Technologie, die eine moderate Anfangsinvestition erfordert.

Sie stellt eine vielversprechende Alternative zur Behandlung von Abwässern mit schwer entfernbaren Verunreinigungen dar. Ihre Effektivität, Vielseitigkeit und Nachhaltigkeit machen sie zu einer attraktiven Option für zahlreiche industrielle und städtische Anwendungen.

Für eine optimale Umsetzung ist jedoch die richtige Auswahl der Betriebsparameter und die regelmäßige Wartung des Systems unerlässlich.

Zusammenfassend ist Elektrokoagulation eine vielseitige und effektive Wasserbehandlungsmethode, die in der Lage ist, eine breite Palette von Verunreinigungen zu beseitigen und die Qualität des behandelten Wassers deutlich zu verbessern.

Bibliographie und Referenzen

1- Elektrokoagulation von Abwasser: Innovative Lösung für eine sauberere Welt | Water Institute

2- Techno-ökonomische Analyse der Elektrokoagulation zur Wasseraufbereitung und Reduktion bakterieller/viraler Indikatoren in einem organisch stark belasteten Abwasser – Anaerobes Faulschlamm-Produkt

    Interessiert an diesen Informationen?