Modifikation von natürlichem Zeolith zur optimierten Nährstoffrückgewinnung aus biogenen Abwässern

Die vorliegende, kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der prozessorientierten Optimierung natürlicher Zeolithe zur simultanen Abscheidung und selektiven Rückgewinnung der essenziellen Pflanzennährstoffe Ammonium (NH4+) und Phosphat (PO43-) aus biogenen Abwässern. Basierend auf der Anwendung natürlicher und modifizierter Zeolithe wurde ein bestehender Prozess (ReNOx-Prozess) so weiterentwickelt, dass durch die Modifikation der Zeolithe der Kationenaustausch und gleichzeitig eine Anionenabscheidung aus verschiedenen Abwässern möglich ist. Dazu wurde ein standardisiertes Analysenschema für die mineralogische und chemische Charakterisierung natürlicher Zeolithe (v.a. Klinoptilolith) entwickelt. Dieses ermöglicht eine objektive Beurteilung der Materialeigenschaften und den Vergleich unterschiedlicher Lagerstätten hinsichtlich ihrer Eignung zum Einsatz in technischen Anwendungen, insbesondere in Ionenaustauschprozessen. Die Untersuchungen umfassten Röntgendiffraktometrie, Röntgenfluoreszenzanalyse, Thermogravimetrie und insbesondere ortsaufgelöste Elektronenstrahlmikrosondenanalysen zur exakten Bestimmung der Mineralchemie der Zeolithe unabhängig der Fremdmineralbeimengungen. Um die Ammoniumaustauschkapazität der Zeolithe bei schwankenden NH4+-Konzentrationen, wie sie in biogenen Abwässern vorkommen, zu bestimmen, wurden jeweils die Ammoniumaustauschisothermen der Zeolithe zwischen 500 und 5000 mg L-1 bestimmt. In einem weiteren Schritt wurden verschiedene Modifikationen mittels konzentrierter Säuren, Basen und Salzlösungen durchgeführt, um die Austauschkapazität für Ammonium zu erhöhen. Die so weiterentwickelten Zeolithe wurden ebenfalls anhand des vordefinierten Analysenprotokolls untersucht und in Batch- (20 g Zeolith) und Säulenexperimenten (300 g bis 2,5 kg) mit Modelllösungen und realem Abwasser getestet. Die Ergebnisse zeigten signifikante Verbesserungen der Ammoniumaufnahme, insbesondere bei NaOH-behandelten Proben mit erhöhter Na-Beladung und vergrößerten spezifischen Oberfläche durch Desilizierung. Parallel dazu wurden Strategien zur Phosphatentfernung und -rückgewinnung mittels modifizierter Zeolithe entwickelt und deren zugrunde liegende Prozesse untersucht. Dazu erfolgten systematische Vorbehandlungen der Zeolithe mittels DOE-Ansatz mit Calciumionen aus variierenden Lösungen und Konzentrationen, wodurch sich an deren Oberfläche schwerlösliche Calciumphosphate bilden können. Die Phosphatentfernung erreicht damit Raten bis zu 94¿%, die Rückgewinnungsraten durch Spülung mittels unterschiedlicher Säuren lagen zwischen 73¿% und 82¿%. Alle entwickelten Verfahren wurden schließlich bis in den Pilotmaßstab überführt und unter realen Bedingungen in single flow Experimenten mit einer Ausbaugröße von rund 100 kg Zeolith bei Durchflüssen bis zu 500 L h-1 an der Kläranlage Knittelfeld erfolgreich getestet. Dabei konnte der ReNOx-Prozess um ein Phosphatmodul erweitert und der Einsatz modifizierter Zeolithe in realen Abwässern in größerem Umfang erstmals demonstriert werden. Die hohe Regenerierbarkeit der Zeolithe sowie die Skalierbarkeit des Verfahrens beweisen die Praxistauglichkeit. Darüber hinaus wurden auch weitere Einsatzmöglichkeiten wie die Nährstoffentfrachtung von Schweinegülle und Deponiesickerwässern, sowie die Erzeugung von Vorkonzentraten zur Gewinnung von grünem Ammoniak für Brennstoffzellen untersucht. Die Ergebnisse liefern nicht nur einen wesentlichen Beitrag zur Nutzung natürlicher Zeolithe in Umwelttechnologien, sondern verdeutlichen auch deren Potenzial zur nachhaltigen Nährstoffrückgewinnung. Damit leistet die Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Sicherung globaler Agrarressourcen, Schonung und Nährstoffentfrachtung belasteter Gewässer und zur Umsetzung ressourcenschonender Kreislaufkonzepte.