Verhalten von Nanosilber in Kläranlagen und dessen Einfluss auf die Nitrifikationsleistung in Belebtschlamm View Full Text


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DATE

2010-10

AUTHORS

M. Burkhardt, S. Zuleeg, R. Kägi, B. Sinnet, J. Eugster, M. Boller, H. Siegrist

ABSTRACT

Hintergrund, Ziel und Zweck Die Anwendung von Nanosilber nimmt zwar stetig zu, doch die Kenntnisse zum Vorkommen nanoskaligen Silbers in Abwässern und zum Verhalten in Kläranlagen sind gering. Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen fehlen sogar vollständig. In der vorliegenden Studie wurde Nanosilber mit folgenden Zielen untersucht: 1) Hemmung der Nitrifikationsleistung im Belebtschlamm einer Kläranlage, 2) Erstellung einer Massenbilanz für Nanosilber in einer Pilotkläranlage und 3) Verifizierung der Bilanz durch eine Untersuchung in einer realen kommunalen Kläranlage, in die durch einen Indirekteinleiter partikuläres Silber eingetragen wird. Methoden Der Einfluss von vier marktüblichen Nanosilberadditiven auf die Ammoniumoxidation im Belebtschlamm wurde in Batchreaktoren bei zwei Konzentrationen (1, 100 mg/L Ag) und zwei Expositionszeiten (2 h, 6 Tage) untersucht. In einer Pilotkläranlage in der Größe von 70 Einwohnerwerten wurde partikuläres Silberchlorid und metallisches Nanosilber jeweils für die Dauer zweier Schlammalter (25 Tage) dosiert und weitere zwei Schlammalter bilanziert. Als Grundlage wurden die Abwassermengen und die Silberkonzentrationen erfasst. Zudem wurde die Anlagerung von Nanosilber an Feststoffen durch elektronenmikroskopische Untersuchungen erfasst. Auf einer Kläranlage (60 000 Einwohnerwerte) wurden der Zu- und Ablauf sowie der Faulschlamm im Rahmen von vier Messkampagnen beprobt und wiederum auf Silber chemisch und Nanosilber mikroskopisch analysiert. ErgebnisseDie Zugabe von 1 mg/L Ag in Form von Silbernitrat, metallischem Nanosilber, partikulärem Silberchlorid und Mikrokomposit-Silber bleibt ohne Wirkung auf die Nitrifikationsleistung. Dagegen resultieren 100 mg/L Ag für alle Silberformen in einer Hemmung, welche zwischen 100 % für Silbernitrat und 20–30 % für kolloidales Nanosilber liegt. In der Massenbilanzstudie wird deutlich, dass nach Zugabe von partikulärem Silberchlorid 96 % des Silbers mit dem Schlamm und 4 % über das Nachklärbecken – also das gereinigte Abwasser – ausgetragen werden. Die Massenbilanz für metallisches Nanosilber fällt ähnlich aus. Diese Bilanzen aus der Pilotkläranlage decken sich mit derjenigen von einer realen Kläranlage. Der Silberaustrag korreliert mit dem Feststoffaustrag im Schlammabzug und Nachklärbeckenablauf. Die Jahresfracht zum Vorfluter dürfte bei 4–40 mg/a Ag pro Einwohnerwert liegen. Mit Elektronenmikroskopie lässt sich zeigen, dass das Nanosilber in und an die Belebtschlammflocken gebunden vorliegt. Diskussion Chlorid ist im Abwasser in größeren Mengen verfügbar, sodass Silberionen praktisch vollständig zu Silberchlorid ausfallen. Silberionen binden auch an organischen Komplexbildnern und reduzierten Schwefelgruppen. Deshalb ist eine hemmende Wirkung auf Nitrifikanten selbst für Silbernitrat bei 1 mg/L Ag (250 mg Ag/kg TS) nicht zu beobachten. Bei der sehr hohen Dosierung von 100 mg/L Ag stellt sich nicht genügend schnell ein Lösungsgleichgewicht zwischen freien Silberionen und Bindungsstellen ein. Die Massenbilanz über die Kläranlage unterstreicht, dass Nanosilber sehr gut an Partikeln bindet und effizient aus dem Abwasser eliminiert wird. Verglichen mit problematischen organischen und anorganischen Mikroverunreinigungen ist die Eliminationsrate mit über 95 % hoch. Mit der Reduktion der ungelösten Stoffe (GUS) lässt sich auch die Silberfracht im Ablauf vermindern. SchlussfolgerungenNanosilber liegt in der Regel gebunden vor, wird dadurch effizient eliminiert und kann allenfalls mit einer Abwassernachbehandlung in Form einer Raum- oder Flächenfiltration weiter reduziert werden. Der Schlamm stellt die wichtigste Senke für Nanosilber dar. Silberpartikel >100 nm Größe binden tendenziell weniger gut als Nanosilber im engeren Sinne. Alle analysierten Silberpartikel im Zulauf, Ablauf und Schlamm deuten darauf hin, dass das Silber vor allem sulfidisch (als Ag2S) die Kläranlage verlässt. Aufgrund der vernachlässigbaren Wasserlöslichkeit dieser Silberform werden keine Silberionen freigesetzt. Empfehlungen und Ausblick Die Forschung ist auf Prozessmechanismen und die Oberflächenmodifikation von Nanosilber zu konzentrieren, die die Speziierung und das Bindungsvermögen unter Umweltbedingungen beeinflussen. Verglichen mit anderen organischen Spurenstoffen zeigt sich kein dringender Handlungsbedarf bezüglich Nanosilber im Bereich von Kläranlagen. Maßnahmen zur Emissionsminderung sollten dennoch dem Vorsorgeprinzip folgend entwickelt werden. More... »

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529-540

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Environmental Sciences Europe

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5

VOLUME

22

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URI

http://scigraph.springernature.com/pub.10.1007/s12302-010-0153-2

DOI

http://dx.doi.org/10.1007/s12302-010-0153-2

DIMENSIONS

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175 TRIPLES      20 PREDICATES      47 URIs      19 LITERALS      7 BLANK NODES

Subject Predicate Object
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26 schema:description Hintergrund, Ziel und Zweck Die Anwendung von Nanosilber nimmt zwar stetig zu, doch die Kenntnisse zum Vorkommen nanoskaligen Silbers in Abwässern und zum Verhalten in Kläranlagen sind gering. Untersuchungen unter realen Betriebsbedingungen fehlen sogar vollständig. In der vorliegenden Studie wurde Nanosilber mit folgenden Zielen untersucht: 1) Hemmung der Nitrifikationsleistung im Belebtschlamm einer Kläranlage, 2) Erstellung einer Massenbilanz für Nanosilber in einer Pilotkläranlage und 3) Verifizierung der Bilanz durch eine Untersuchung in einer realen kommunalen Kläranlage, in die durch einen Indirekteinleiter partikuläres Silber eingetragen wird. Methoden Der Einfluss von vier marktüblichen Nanosilberadditiven auf die Ammoniumoxidation im Belebtschlamm wurde in Batchreaktoren bei zwei Konzentrationen (1, 100 mg/L Ag) und zwei Expositionszeiten (2 h, 6 Tage) untersucht. In einer Pilotkläranlage in der Größe von 70 Einwohnerwerten wurde partikuläres Silberchlorid und metallisches Nanosilber jeweils für die Dauer zweier Schlammalter (25 Tage) dosiert und weitere zwei Schlammalter bilanziert. Als Grundlage wurden die Abwassermengen und die Silberkonzentrationen erfasst. Zudem wurde die Anlagerung von Nanosilber an Feststoffen durch elektronenmikroskopische Untersuchungen erfasst. Auf einer Kläranlage (60 000 Einwohnerwerte) wurden der Zu- und Ablauf sowie der Faulschlamm im Rahmen von vier Messkampagnen beprobt und wiederum auf Silber chemisch und Nanosilber mikroskopisch analysiert. ErgebnisseDie Zugabe von 1 mg/L Ag in Form von Silbernitrat, metallischem Nanosilber, partikulärem Silberchlorid und Mikrokomposit-Silber bleibt ohne Wirkung auf die Nitrifikationsleistung. Dagegen resultieren 100 mg/L Ag für alle Silberformen in einer Hemmung, welche zwischen 100 % für Silbernitrat und 20–30 % für kolloidales Nanosilber liegt. In der Massenbilanzstudie wird deutlich, dass nach Zugabe von partikulärem Silberchlorid 96 % des Silbers mit dem Schlamm und 4 % über das Nachklärbecken – also das gereinigte Abwasser – ausgetragen werden. Die Massenbilanz für metallisches Nanosilber fällt ähnlich aus. Diese Bilanzen aus der Pilotkläranlage decken sich mit derjenigen von einer realen Kläranlage. Der Silberaustrag korreliert mit dem Feststoffaustrag im Schlammabzug und Nachklärbeckenablauf. Die Jahresfracht zum Vorfluter dürfte bei 4–40 mg/a Ag pro Einwohnerwert liegen. Mit Elektronenmikroskopie lässt sich zeigen, dass das Nanosilber in und an die Belebtschlammflocken gebunden vorliegt. Diskussion Chlorid ist im Abwasser in größeren Mengen verfügbar, sodass Silberionen praktisch vollständig zu Silberchlorid ausfallen. Silberionen binden auch an organischen Komplexbildnern und reduzierten Schwefelgruppen. Deshalb ist eine hemmende Wirkung auf Nitrifikanten selbst für Silbernitrat bei 1 mg/L Ag (250 mg Ag/kg TS) nicht zu beobachten. Bei der sehr hohen Dosierung von 100 mg/L Ag stellt sich nicht genügend schnell ein Lösungsgleichgewicht zwischen freien Silberionen und Bindungsstellen ein. Die Massenbilanz über die Kläranlage unterstreicht, dass Nanosilber sehr gut an Partikeln bindet und effizient aus dem Abwasser eliminiert wird. Verglichen mit problematischen organischen und anorganischen Mikroverunreinigungen ist die Eliminationsrate mit über 95 % hoch. Mit der Reduktion der ungelösten Stoffe (GUS) lässt sich auch die Silberfracht im Ablauf vermindern. SchlussfolgerungenNanosilber liegt in der Regel gebunden vor, wird dadurch effizient eliminiert und kann allenfalls mit einer Abwassernachbehandlung in Form einer Raum- oder Flächenfiltration weiter reduziert werden. Der Schlamm stellt die wichtigste Senke für Nanosilber dar. Silberpartikel >100 nm Größe binden tendenziell weniger gut als Nanosilber im engeren Sinne. Alle analysierten Silberpartikel im Zulauf, Ablauf und Schlamm deuten darauf hin, dass das Silber vor allem sulfidisch (als Ag2S) die Kläranlage verlässt. Aufgrund der vernachlässigbaren Wasserlöslichkeit dieser Silberform werden keine Silberionen freigesetzt. Empfehlungen und Ausblick Die Forschung ist auf Prozessmechanismen und die Oberflächenmodifikation von Nanosilber zu konzentrieren, die die Speziierung und das Bindungsvermögen unter Umweltbedingungen beeinflussen. Verglichen mit anderen organischen Spurenstoffen zeigt sich kein dringender Handlungsbedarf bezüglich Nanosilber im Bereich von Kläranlagen. Maßnahmen zur Emissionsminderung sollten dennoch dem Vorsorgeprinzip folgend entwickelt werden.
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