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"Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung radioaktiver Kationen aus
weichen Oberflächenwässern im Großversorgungsbetrieb mit Schnellfilteranlagen, insbesondere
für die Trinkwasserversorgung aus Talsperren und natürlichen, stehenden Gewässern".
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Entfernung radioaktiver Kationen aus weichen Oberflächenwässern
im Großversorgungsbetrieb mit Schnellfilteranlagen, insbesondere für die Trinkwasserversorgung
aus Talsperren und natürlichen stehenden Gewässern.
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Die Trinkwasserversorgung aus Talsperren und natürlichen, stehenden
Gewässern unterliegt einer akuten Gefährdung durch radioaktiven Befall. Besonders
während der Wintermonate kann eine derartige umfangreichere Kontamination eines
Staugewassers zur Lberschreitung der heute gültigen, maximal zulässigen kolizentrationswerte
für den
Gehalt an radioaktiven Substanzen des frinkwassers und damit
zu einer empfindlichen Störung und der Unterbrechung der Trinkwasserversorgung weiter
Gebiete führen.
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In der Literatur sind r'lockungs-und rallungsverfaoren beschrieben
worden zur Entfernung radioaktiver Substanzen aus Nasser in Verbindung Mit Miteranlaen.
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Uie Flockungsverfahren ergaben lediglich für Radionuklide der Seltenen
Erden Dekontaminationsgrade von 99%, die Radioisote des Strontiums werden jedoch
nur bis etwa 30, o, also in vollko,.. men unzureichender höhe, dem Wasser. entnommen.
Es können nun auch für die letzteren Radioisotope mit Hilfe bestimmter Fällungsverfahren
Dekontaminationsgrade von etwa 90 % erreicht werden.
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Von den vorgenannten Verfahren lassen sich jedoch in Schnellfilteranlagen
aus betriebstechnischen aründen nur die Flockungsverfahren verwenden. Die Fällungsverfahren
erforuern entweder zur Erreichung von Dekontamina tionsgraden um 90 % für die Radioisotope
des Strontiums so hohe Chemikalienzusatze, daß der Aufbereitungsbetrieb in einer
Schnellfilteranlage, wie sie bei der Behandlung von Wässern im Großbetrieb notwendig
ist, sowohl aus betriebsteczinischen Griinden als auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten
nicht mehr durchführbar ist, oder es müssen Chemikalien benutzt werden, deren Einsatz
zur
Wasseraufbereitung für die Trinkwasserverordnung nicht zugelassen ist. Die speziellen
Fällungsverfahren fiir die Radioisotope der Erdalkalien können somit im Schnellfilteranlagen
großer Leistungsf'ahigkeit nicht eingesetzt werden. Die gleichen Schwierigkeiten
sind bei der Entfernung von liadiocausium gegeben.
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Die wirksame Entfernung der besonders gefährlichen ltadionut : lide
des ötrontiuus ist an sich mit Hilfe von Ionenaustauschern möglich. Der Einsatz
derartiser Ionenaustauscher in Schnellfilteranlagen zur Trinkwawasseraufbereitung
im Croubetricb wurde bisher stets als wirtschaftlich nicht durchführbar angesehen,
weil einmal die @ Austauscher durch die auftretenden Härtebildner im Wasser schnell
erschöpft werden, so daß schon aus diesem Grtlntìe eine Verwendung von Ionenaustauschern
im Großbetrieb ungeeignet erscheinen mußte ; zum anderen weiden die lonenaustauscner
schon nach kurzer Uetriebszeit durch olloide verstopft ; schließlich erfordert die
notwendige Regenerierung der Austauscher erhebliche Regeneriermittel und verbraucht
damit eine betrachtliche ende des gewonnenen lieinwassers.
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Man hat daher in der Fachwelt bisher davon Abstand geciommen, bchnellfilteranlagen
zu schaffen, die gleichzeitig eine zuverlässige Dekontaminierung der radioaktiven
oubstanzen
des Massers gestatten.
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Uer Lrfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese eine Lekontaminierun6
im Großbetrieb behindernden Nach-< teile nicht auftreten, wenn in der erfindungsgemäßen
Weise verfahren wird. disse Verfahrensweise ist dadurch gekennzeichnet, dai3 das
zu behandelnde Oberflachenwasser zunächst durch ein an sich bekanntes, mit F'ilterkies
gefüiltes und mit einem Zsischenboden ausgestattetes Schnellfilter offener oder
geschlossener Bauart und unmittelbar anschlißend unter beibehaltung seiner ätromunf,
srichtung durch eine aus einem Ionenaustauscher bestehende öchicht gefuhrt wird.
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Da nie Wasser von Trinkwassertalsperren, die in erster Ligie einer
Gefahrdung durch Befall mit radioaktiven Substanzen unterliegen, in der Regel sehr
weich sind, tritt eine rasche Erschöpfung des Austauschers durch Härtebildner nicht
ein. Die Gefahr der Erschöpfung des lonenaustausctiers durcli Kolloide wiid durch
die erfindungsgemäße Vorschaltung des Kiesfilters vor den lonenaust. uscher vermieden,
da die Kolloide praktisch vollstanding im niesfilter abgeschieden weruen. Auch die
Regenerierung des Ionenaustauschers laßt sich so durchfiihren, dalS die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens gegeben ist. iiies wird erfindungsgemaß dadurch erreicht,
dalS
als lonenaustauscher ein an sich bekannter Kationenaustausctier der Natriumform
und als Regeneriermittel für den Ionenaustauscher eine Kochsalzlösung verwendet
wird.
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Hierbei wird als einziges, zusätzlich zu einer normalen Flockung notwendig
werdendes Aufbereitungsmittel zur Regenerierung des Ionenaustauschers wochsalz benötigt.
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Seine venge entspricht der Gesamtchemikalienzugabemenge für spezielle
Fällungsveifahren ; gegenüber diesen Verfahren ist jedoch der Vorteil gegeben, das
das oclisalz mit den lnhaltsstoffen des Wassers keiner schwerlöslichen Verbindungen
bildet, die erneut aus dem tasser abfiltriert werden müßten, so dal3 der Ionenaustauscher
ohne weiteres dem hiesfilter nachgeschaltet werden kann.
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Der Dekontaminationsgrad des erfindungsgemaben Verfahrens iür Radionuklide
des Strontium liegt bei 99,9 9 und hoher. Damit übersteigt er die einen Dekomaminationsgrad
von 90 % aufweisenden bekannten speziellen Fällungsverfahren um den F'aktor 100.
Diese praktisch 100%ige Uekontaminierung stellt gegenüber samtlichen bekannt g Verfahren
einen entscheidenden technischen Vorteil dar.
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Die Rosten des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen wesentlich unterhalb
uenen der bekannten, bisher für die frinkwasserdekontaminierung anwendbaren Verfahren,
so
daß mit uem erfindungsgemäßem Verfahren der weitere Vorteil einer
besonderen @irtschaftlichkeit gegeben ist.
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Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, dsß zwecks Bellandlung des Ionenaustauseners nach Abschluß der in
den kaum zwischen dem Schnellfilter and dem Ionenaustauscher führenden Zuleitung
das zu seiner Spülung dienende Wasser unter Verurangung des oberhalb des Ionenaustauschers
stehenden Hassers und anschließend die Behandlungslösung durch den Reinwasser abschluß
zugeführt und nach Beendigung der erforderlichen Kegenerationszeit in umgekenrter
Lichtung abgeführt werden, wobei die Zufuhr der uehandiungslösung nacn erreichen
der vberflache des lonenaustauschers unterbrochen wird. bei Zufuhr des bpülwassers
für den IOnenaustauscher durch den Reinwasserabfluß wird nur soviel Hasser durch
dasselbe dem Ionenaustauescher gegeben, daß keine Verunreinigungen in das Kiesfilter
gelangen können. Die anschließende z-ufuhr der Behandlungslösung durch den Reinwasserabfluß
wird unterbrochen, sobald der Spiegel der Behandlungslösung die Oberfläche des lonenaustauscners
erreicht bzw. geringfiigig überschritten hat. Auf diese Weise gelangt a uch die
Behandlungslösung nicht mit dem Keisfilter in Beiihrunt
Lin weiteres
Merkmal der Erfindung bezieht sich auf eine abgewandelte Form des erfindungsgemaßen
Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das zur @ückspülung des Schnelffilters
erforderliche Wasser in den zwischen dem Boden des Schnellfilters und der Oberflache
des iunenaustauschers bestehenden Raum unter Abschluß des unterhaih des Ionenaustauschers
angeordneten Reinwasserabflusses eingeleitet wird, daß das zur Spulung des lumenaustauschers
dienende Wasser nach Absenkung des Wassersnieels unterhalb des Bodens des iesfiitcrs
durch den Reinwasserabfluß zugefuhrt und aus dem zwisdhen dem Schnellfilter und
dem Ionenaustauscher bestehenden Raum abgefuhrt wird und daß bei Auftecnte@haltung
des abgesenkten Wassers@iegels anschließend die zur Regenerier@n des Ionenaustauschers
erford@liche Behandlungslösung in den wischen den Schnellfiltern und den ionenaustausdhcrt
bestenenden Raum eingeleitet und nach Ablauf ausreienender Einwirkun@szeit aus dem
Reinwasserabfluß abgedie @ wird. Durch die Einführung des Spülwassers für das Kiesfilten
oberhalb des Ionenaustauscher und durch die Absper@ung des Keinwasserabflusses wird
verhin@ert, daß bei Ruckspulung des Kiesfilters ein Aufwirbeln des Ionenaustauschers
und ein Nochspülen in das Kiesfilter bei den für die Ruckspülung üblicherweise verwendeten
waschwasser- und Spülluftmengen eintreten. Zufolge der erfindungsgemäßen @ührung
der zur Reinigung und Regeneration
erforderlichen Flüssigkeiten
wird erreicht, daß der Ionenaustauscher und das oiesfilter getrennt voneinander
ohne gegenseitige Beeinflussuhg gespült bzw. regeneriert werden können., Vurch die
erfindungsgemäbe Maßnahme der Führung der zur Iteinigung bzw. Regenierung erforderlichen
Behandlungsflüssigkeiten in dem hiesfilter und dem Ionenaustauscher wird die Möglichkeit
geschaffen, bereits bestehende Schnellfilteranlagen ohne grobe bauliche Aufwendungen
durch nachträglichen Umbau für eine gleichzeitige Dekontaminierung auszubilden.
Das aus dem Ionenaustauscher abgeführte Regenerat wird in einem Behälter gesammelt
und die Radioaktivitätsträger und die Erdalkalien werden in an sich bekannter Weise
durch Zugabe der erforderlichen Sodamenge ausgefallt.
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Ein wesentlicher weiterer Vorteil des eifindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, daß insbesondere im Fall eines Notstandes die Beschaffung der für die
Regenerierung des Ionenaustauschers notwendige Kochsalzmenge stets alt gesichert
anzusehen ist ; in jedem Fall ist sie leichter möglich als die Beschaffung gober
Mangen spezieller Flockungs-oder Fällungschemikalien.
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Sine der Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß das hiesfilter und der Ionenaustauscher untereinander in einem
Aggregat vereinigt sind, daß in uem Raum zwischen dem Tragboden des Kiesfilters
und der Oberfläche des Austauschers ein sich über die Lange des Filters erstreckendes,
vorzugsweise auf seiner oberen Hälfte perforiertes Rohr angeordnet ist, das mit
einer absperrbaren Zflußleitung für das Waschwasser des Kiesfilters versehen ist
und daß der unterhalb des Ionenaustauschers angeordnete Abfluß des Reinwassers absperrbar
ausgebildet ist und je eine ebenfalls absperrbare Zuleitung für das Waschwasser
des Ionenaustauschers und die Regenerierlösung besitzt.
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Hierbei kennzeichnet sich ein weiteres Merkmal dadurch , daß unterhalb
des Bodens des kiesfilters ein auf die elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten
ansprechender Schalter angeordnet ist, der ein in der in den Reinwasserabfluß mündenden
Zuleitung der Behandlungsflüssigkeit liegenues Verschlußorgan steuert.
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Eine abgewandelte, der Durchführung des Verfahrens dienende Vortichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kiesfilter und der Ionenaustauscher untereinander
in einem Aggregat vereinigt sind, daß in dem Raum zwischen den Polsterrohrdüsen
eines Kiesfilters und der Oberflache der Ionenaustauscher schiebt ein sich über
die
Länge des Filters erstreckendes, vorzugsweise auf seiner oberen
Hälfte perforiertes Rohr angeordnet ist, das mit je einer absperrbaren Zuflußleitung
für das Faschwasser des hiesfilters und die Regenerierungslösung des Ionenaustauschers
und mit einem ebenfalls absperrbaren Ablaut fur uas Waschwasser des lonenaustausciiers
versehen ist, und daß der unterhalb des Ionenaustauschers angeordnete Abflub des
Reinwassers absperrbar ausgebildet ist und je eine ebenfalls absperrbare Zuleitung
für das Waschwasser des Ionenaustauschers besitzt.
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Die Vorrichtung kennzeichnet sich weiter dadurch, daß der zur Auflage
von Ionenaustauschern dienende Boden auf seiner gesamten Fläche mit Perforationen
versehen ist und daß der unter diesem Boden befindliche Cehauseboden nach der bitte
zu konisch abfallend in den kanalartigen Reinwasserabfluß übergeht, wobei zwischen
dem Boden des Ionenaustauschers und dem Gehäuseboden geeignete, den Wasserabfluß
nicht behindernde Unterzüge vorgeselen sind.
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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Yorrichtung, und es bedeutet : Fig. 1 sciiematische Teildarstellung
eines erfindungsgemaß ausgebildeten Filteraggregates, bei der zwei nebenainanderliegende
Aggregate
in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt sind, wahrend
d s FiltratJons-und Ionenaustauschbetriebcs ; Fig. 2 Darstellung nach Fig. 1 während
des Stadiums der asctle des hiesfilters ; Fig. 3 Darstellung gemäß Fig. 1 wahrend
des Stadiums der Wäsche des Ionenaustauschers ; Fig. 4 Darstellung gemäß Fig. 1
wahrenu des Stadiums der Hegenerierung des Ionenaustauschers ; Fig. 5 Darstellung
gemäß Fig. 3 bei einer auf abgewandelte Weise verlautelldell"asche des Ionenaustauschers
; Fig. 6 Darstellung gemäß Fig. 4 bei einem abgewandelten Vcrlauf de Regenerierung
des Ionenaustauschers.
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Gemäß Fig. 1 bis 6 sind in einem Gehause 1 zwei nebeneinanderliegende
Filteraggregate enthalten, die je aus eine hiesfilter 2 und einem darunter angeordneten
Ionenaustauscher o bestehen. In den Figuren ist nur die eine Seite des Gehauses
1 dargestellt. An die rechute Seite der Zeichnung schließt sich ein gleiches Aggregat
an,
wie es in den Figuren gezeigt ist. Das Kiesfilter 2 ist oberseitig
offen und wird durch den mittleren Zuflußkanal des zu behandelnden Wassers über
den Zulauf 5 gespeist. Es kann auch ein oberseitig geschlossenem kiesfilter Anwendung
finden. Uas Kiesfilter 2 liegt auf einem mit an sich bekannten Polsterrohrdüsen
ausgestatteten loden 6 auf. Unterhalb des Bodens 6 ist unter Bildung eines Zwischenraumes
7 der Ionenaustauscher 3 auf einen perforierten boden 8 aufgelegt. Der unter dem
Boden 8 liegende (iehäuseboden 9 verläuft von den beiden Enden des lodens 8 nach
der Mitte zu konisch abfallend und geht in den Reinwasserkanal 10 über, durch den
das filtrierte und von radioaktiven Substanzen befreitç Wasser abgefühtt wird. Der
Keinwasserabfluß 10 ist durch nicht dargestellte Absperrmittel verschließbar. In
don Raum 7 ist ein sich über die gesamte Filterlänge erstreckendes Rohr 11 angeordnet,
das auf seiner oberen Hälfte mit Perforationen versehen ist. Dieses Rohr 11 besitzt
eine absperrbare Zuleitung für das Waschwasser des Kiesfilters. Der mittlere Kanal
12 dient der Zuführung der für die Kiesfilterwäsche erforderlichen Druckluft. Die
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Filters ist folgende : Im normalen Filterbetrieb
fließt das zu behandelnde Uberflächenwasfser, wie die Fig. 1 zeigt, durch den Kanal
4 gibet den Zulauf 5 auf das hiesfilter 2 und durch den
Düsenboden
6 über den Zwischenraum 7 nach unten auf den Ionenaustauscher 3 ab, passiert diesen
durch seinen Boden 8 ; das filtrierte und dekontaminierte Reinwasser wird durch
den kanal 10 abgeführt.
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Um die Filterwäsche durchzuführen, wird gemäß Fig. 2 der Abflußkanal
10 geschlossen und durch das Rohr 11 unter Öffnung der Zuleitung für das Waschwasser
dieses von unten nach oben durch die auf dercberen Hälfte des Rohres 11 vorgesehene
Perforation über den büsenboden durch den tilterkies im Gegenstrom geleitet, wobei
nach vorherigem Abschluß des Zuflusses 4 des zu behandelnden Wassers das Waschwasser
nach oben über den bberlauf 5 und den weiteren bberlauf 13 beiderseits abgeführt
wird.
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Die Behandlung des Ionenaustauschers kann auf unterschiedliche Weise
erfolgen.
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Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 erfolgt die Spülung des lonenaustauschers
3 von unten her durch den Kanal 10.
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Zu dieseo Zweck wird der Abfluß des Kanals 10 geschlossen und ein
nicht dargestellter, in den Kanal 10 mündender Zufluß für das waschwasser geöffnet.
Das aschwassei strömt von unten nach oben durch den büsenboden 8 und durch den Ionenaustauscher
und verdrängt das darüber liegende tasser, so daß dieses über die Uberläufe 13
und
15 in dem gleichen Maße abfließt wie das aschwasser durch den Kanal 10 zugefuhrt
wird. hierbei wird dafür forge getragen, da6 der Spiegel des Waschwassers nicht
den oden des Kiesfilters erreicht und nach erfolgter Spülung wird das Waschwasser
durch den Kanal 10 wieder abgelassen ; dann wird ein weiterer in den Kanal 10 mündender
Zulauf für die Behandlungsflüssigkeit geöffnet und gemäß Fig. 4 die Behandlungsflüssigkeit
von unten her durch den Ionenaustauscher 3 gegeben bis der Spiegel der Behandlungsflüssigkeit
den Scnalter 14 erreicht. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit
wird nunmehr der Zufluß für die Behandlungsflüssigkeit durch ein vom Schalter 14
betätigtes, nicht dargestelltes Absperrorgan geschlossen. Nach einer ausreichenden
Behandlungszeit wird die Behandlungsflüssigkeit durch den Kanal 10 abgeführt, worauf
das Filter wieder betriebsfähig ist.
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Die Behandlung des Ionenaustauschers 7 ist seltener erforderlich als
die Aäsche des Kiesfilters 2.
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Die Wusche des Kiesfilters 2 und die Beliandlung des Ionenaustauschers
können auch auf eine andere Weise vorgenommen werden, wie Fig. 5 und 6 zeigen.
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Vor der seltener erforderlich werdenden"äsche des
Ionenaustauschers
3 wird der im Kiesfilter 2 bestehend Wasserspiegel unter den Boden 6 abgesenkt.
Dann wird nach Qflnung der an das Rohr 11 angeschlossenen, nicht dargestellten Ableitung
für das Reinwasser und das Regenerat uie an ihn angeschlossene wasserzuleitung geoifnet,
so daß das Wasser von unten nach oben durch den Ionenaustauscher hindurchfließt,
um diesen aufzulockern und zu spülen ; das oberhalb des lonenaustauschers 3 austretende
Waschwasser wird durch das Kohr 11 abgeleitet.
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Bei der anschliebenden liegeneration wird beim geschlossenen Ablauf
und bei geschlossenem Zulauf des lieinwasserkanals 10 die Regenerierlösung durch
das Rohr 11 eingeleitet, wobei der Wasserspiegel des xicsfilters abgesenkt bleibt.
vach einur ausreichenden Einwirkungsdauer wird der Ablauf für das Kegenerat im Kanal
10 geöifnet und das Kegenerat abgelassen. Darauf ist das Filteraggregat für erneute
Filteration betriebsbereit.
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Ansprüche :