DE1517610B2

DE1517610B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung radioaktiver Kationen aus weichen Oberflächen wässern im Großversorgungsbetrieb mit mehrbettigen Schnellfilteranlagen

Info

Publication number: DE1517610B2
Application number: DE1964W0036835
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Chem. Dr. 5200 Siegburg; Baumgärtel Frank Dipl.-Chem. 3300 Braunschweig; Kretzschmar Wolfgang Dipl.-Ing. 8650 Kulmbach Bernhardt
Original assignee: Wahnbachtalsperrenverband Siegburg, 5200 Siegburg; Planungs- und Forschungsgesellschaft der WABAG Wasserreinigungsbau Alfred Kretzschmar KG, 8650 Kulmbach
Priority date: 1964-05-21
Filing date: 1964-05-21
Publication date: 1971-11-04
Also published as: AT257491B; DE1517610A1; FR1433970A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung radioaktiver Kationen aus weichen Oberflächenwässern im Großverversorgungsbetrieb mit mehrbettigen Schnellfilteranlagen, insbesondere für die Trinkwasserversorgung aus Talsperren und natürlichen, stehenden Gewässern.

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 Staugewässers zur Überschreitung der heute gültigen, maximal zulässigen Konzentrationswerte für den Gehalt an radioaktiven Substanzen des Trinkwassers und damit zu einer empfindlichen Störung und der Unterbrechung der Trinkwasserversorgung weiter Gebiete führen.

In der Literatur sind Flockungs- und Fällungsverfahren beschrieben worden zur Entfernung radioaktiver Substanzen aus Wasser in Verbindung mit Filteranlagen.

Die Flockungsverfahren ergaben lediglich für Radionuklide der Seltenen Erden Dekontaminationsgrade von 99%, die Radioisotope des Strontiums werden jedoch nur bis etwa 3O°/o, also in vollkommen unzureichender Höhe, dem Wasser entnommen. Es können nun auch für die letzteren Radioisotope mit Hilfe bestimmter Fällungsverfahren Dekontaminationsgrade von etwa 90 % erreicht werden. Von den vorgenannten Verfahren lassen sich jedoch in Schnellfilteranlagen aus betriebstechnischen Gründen nur die Flockungsverfahren verwenden. Die Fällungsverfahren erfordern entweder zur Erreichung von Dekontaminationsgraden um 90% für die Radioisotope des Strontiums so hohe Chemikalienzusätze, daß der Aufbereitungsbetrieb in einer Schnellfilteranlage, wie sie bei der Behandlung von Wässern im Großbetrieb notwendig ist, sowohl aus betriebstechnischen Gründen 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 für die Radioisotope^der Erdalkalien können somit in Schnellfilteranlagen großer Leistungsfähigkeit nicht eingesetzt werden. Die gleichen Schwierigkeiten sind bei der Entfernung von Radiocaesium gegeben.

Die wirksame Entfernung der besonders gefährlichen Radionuklide des Strontiums ist an sich mit Hilfe von Ionenaustauschern möglich. Der Einsatz derartiger Ionenaustauscher in Schnellfilteranlagen zur Trinkwasseraufbereitung im Großbetrieb 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 Grunde eine Verwendung von Ionenaustauschern im Großbetrieb ungeeignet erscheinen mußte; zum anderen werden die Ionenaustauscher schon nach kurzer Betriebszeit durch Kolloide verstopft; schließlich erfordert die notwendige Regenerierung der Austauscher erhebliche Regeneriermittel und verbraucht damit eine beträchtliche Menge des gewonnenen Reinwassers.

Man hat daher in der Fachwelt bisher davon Abstand genommen, Schnellfilteranlagen zu schaffen, die gleichzeitig eine zuverlässige Dekontaminierung der radioaktiven Substanzen des Wassers gestatten.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese eine Dekontaminierung im Großbetrieb behindernden Nachteile nicht auftreten, wenn in der erfindungsgemäßen Weise verfahren wird. Diese Verfahrensweise ist dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Oberflächenwasser zunächst durch ein an sich bekanntes, mit Filterkies gefülltes und mit einem Zwischenboden ausgestattetes Schnellfilter offener oder geschlossener Bauart und unmittelbar anschließend unter Beibehaltung seiner Strömungsrichtung durch eine aus einem Kationen-Austauscher bestehende Schicht geführt wird.

Da die Wasser von Trinkwassertalsperren, die in erster Linie einer Gefährdung 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 Ionenaustauschers durch Kolloide wird durch die erfindungsgemäße Vorschaltung des .Kiesfilter's""Yor den Ionenaustauscher vermieden, da die Kolloide praktisch vollständig im Kiesfilter abgeschieden werden. Auch- die Regenerierung des Ionenaustauschers läßt sich so durchführen,, daß die Wirtschaftlichkeit-des Verfahrens gegeben' ist. Dies.

wird dadurch erreicht, daß als Ionenaustauscher·" ein an sich bekannter Kationenaustauscher der Natriumform und als Regeneriermittel für den Ionenaustauscher eine Kochsalzlösung verwendet wird. Hierbei wird als einziges, zusätzlich zu einer normalen Flockung notwendig werdendes Aufbereitungsmittel zur Regenerierung des Ionenaustauschers Kochsalz benötigt. Seine Menge entspricht der Gesamtchemikalienzugabemenge für spezielle Fällungsverfahren; gegenüber diesen Verfahren ist jedoch der Vorteil gegeben, daß das Kochsalz mit den Inhaltsstoffen des Wassers keine schwerlöslichen Verbindungen bildet, die erneut aus dem Wasser abfiltriert werden müßten, so daß der Ionenaustauscher ohne weiteres dem Kiesfilter nachgeschaltet werden kann.

Der Dekontaminationsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens für Radionuklide des Strontiums liegt bei 99,9 % und höher. Damit übersteigt er die einen Dekontaminationsgrad von 90% aufweisenden bekannten speziellen Fällungsverfahren um den Faktor,100,

Diese praktisch 400%ige Deköntamiriierung stellt gegenüber sämtlichen bekanntgewordenen Verfahren einen-entscheidenden technischen Vorteil dar. "^

Die Kosten des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen wesentlich unterhalb denen der bekannten, bisher für die Trinkwasserdekontaminierung anwendbaren Verfahren, so daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der weitere Vorteil einer besonderen Wirtschaftlichkeit gegeben ist.

Bei diesem Verfahren kann zwecks Behandlung des Ionenaustauschers nach Abschluß der in den Raum zwischen dem Schnellfilter und dem Ionenaustauscher führenden Zuleitung das zu seiner Spülung dienende Wasser unter Verdrängung des oberhalb des Ionenaustauschers stehenden Wassers und anschließend die Behandlungslösung durch den Reinwasserabschluß zugeführt und nach Beendigung der erforderlichen Regenerationszeit in umgekehrter Richtung abgeführt werden, wobei die Zufuhr der Behandlungslösung nach Erreichen der Oberfläche des Ionenaustauschers unterbrochen wird. Bei Zufuhr des Spülwassers für den Ionenaustauscher durch den Reinwasserabfluß wird nur soviel Wasser durch dasselbe dem Ionenaustauscher gegeben, daß keine Verun-

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reinigungen in das Kiesfilter gelangen können. Die anschließende Zufuhr der Behandlungslösung durch den Reinwasserabfluß wird unterbrochen, sobald der Spiegel der Behandlungslösung die Oberfläche des Ionenaustauschers erreicht bzw. geringfügig überschritten hat. Auf diese Weise gelangt auch die Behandlungslösung nicht mit dem Kiesfilter in Berührung.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das zur Rückspülung des Schnellfilters erforderliche Wasser in den zwischen dem Boden des Schnellfilters und der Oberfläche des Ionenaustauschers bestehenden Raum unter Abschluß des unterhalb des Ionenaustauschers angeordneten Reinwasserabflusses eingeleitet werden kann, daß das zur Spülung des Ionenaustauschers dienende Wasser nach Absenkung des Wasserspiegels unterhalb des Bodens des Kiesfilters durch den Reinwasserabfluß zugeführt und aus dem zwischen dem Schnellfilter und dem Ionenaustauscher bestehenden Raum abgeführt werden kann, und daß bei Aufrechterhaltung des abgesenkten Wasserspiegels anschließend die zur Regenerierung des Ionenaustauschers erforderliche· Behandlungslösung in den zwischen den Schnellfiltern und den Ionenaustauschern bestehenden Raum eingeleitet und nach Ablauf ausreichender Einwirkungszeit aus dem Reinwasserabfluß abgeführt werden kann. Durch die Einführung des Spülwassers für das Kiesfilter oberhalb des Ionenaustauschers und durch die Absperrung des Reinwasserabflusses wird verhindert, daß bei Rückspülung des Kiesfilters ein Aufwirbeln des Ionenaustauschers und ein Hochspülen in das Kiesfilter bei den für die Rückspülung üblicherweise verwendeten Waschwasser- und Spülluftmengen eintreten. Zufolge der Führung der zur Reinigung und Regeneration erforderlichen Flüssigkeiten wird erreicht, daß der Ionenaustauscher und das Kiesfilter getrennt voneinander ohne gegenseitige Beeinflussung gespült bzw. regeneriert werden können.

Durch diese Führung der zur Reinigung bzw. Regenerierung erforderlichen Behandlungsflüssigkeiten in dem Kiesfilter und dem Ionenaustauscher wird die Möglichkeit geschaffen, bereits bestehende Schnellfilteranlagen ohne große bauliche Aufwendungen durch .nachträglichen Umbau ,für eine gleichzeitige Dekontaminierung auszubilderir 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 ausgefällt.

Ein wesentlicher weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß insbesondere im Fall eines Notstandes die Beschaffung der für die Regenerierung des Ionenaustauschers notwendige Kochsalzmenge stets als gesichert anzusehen ist; in jedem Fall ist sie leichter möglich als die Beschaffung großer Mengen spezieller Flockungs- oder Fällungschemikalien.

Die der Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kiesfilter und der Ionenaustauscher untereinander in einem Aggregat angeordnet sind, daß in dem Raum zwischen den Polsterrohrdüsen eines Kiesfilters und der Oberfläche der Ionenaustauscherschicht ein sich über die Länge des Filters erstreckendes, auf seiner oberen Hälfte perforiertes Rohr angeordnet ist, das mit je einer absperrbaren Zuflußleitung für das Waschwasser des Kiesfilters und die Regenerierungslösung des Ionenaustauschers und mit einem ebenfalls absperrbaren Ablauf für das Waschwasser des Ionenaustauschers versehen ist, und daß der unterhalb des Ionenaustauschers angeordnete Abfluß des Reinwassers absperrbar ausgebildet ist und eine ebenfalls absperrbare Zuleitung für das Waschwasser des Ionenaustauschers besitzt. Hierbei ist von Bedeutung, daß unterhalb des Bodens des Kiesfilters ein auf die

ίο elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten ansprechender Schalter angeordnet ist, der ein in der in den Reinwasserabfluß mündenden Zuleitung der · Behandlungsflüssigkeit liegendes Verschlußorgan steuert.

Die Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und es bedeutet

Fig. 1 schematische Teildarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Filteraggregates, bei der zwei nebeneinanderliegende Aggregate in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt sind, während des FiI- ■ trations- und Ionenaustauschbetriebes,

F i g. 2 Darstellung nach F i g. 1 während ...des ,· Stadiums der Wäsche-des Kiesfilters,' *-'"' ._;> , F i g. 3 Darstellung gemäß F i g. 1 während -.des • Stadiums der Wäsche des Ionenaustauschers,

Fig. 4 Darstellung gemäß Fig. 1 während des Stadiums der Regenerierung des Ionenaustauschers, F i g. 5 Darstellung gemäß F i g. 3 bei einer auf abgewandelte Weise verlaufenden Wäsche des Ionenaustauschers,

F i g. 6 Darstellung gemäß F i g. 4 bei einem abgewandelten Verlauf der Regenerierung des Ionenaustauschers.

Gemäß Fi g. 1 bis 6 sind in einem Gehäuse 1 zwei nebeneinanderliegende Filteraggregate enthalten, die je aus einem Kiesfilter 2 und einem darunter angeordneten Ionenaustauscher 3 bestehen. In den Figuren ist nur die eine Seite des Gehäuses 1 dargestellt. An die rechte 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-geschlossenes Kiesfilter Anwen- </ dung finden. Das Kiesfilter 2 liegt auf einem mit an sich bekannten Polsterrohrdüsen ausgestatteten Boden 6 auf. Unterhalb des Bodens 6 ist unter Bildung eines Zwischenraumes 7 der Ionenaustauscher 3 auf einem perforierten Boden 8 aufgelegt. Der unter dem Boden 8 liegende Gehäuseboden 9 verläuft von den beiden Enden des Bodens 8 nach der Mitte zu konisch abfallend und geht in den Reinwasserkanal

10 über, durch den das filtrierte und von radioaktiven Substanzen befreite Wasser abgeführt wird.

Der Reinwasserabfluß 10 ist durch nicht dargestellte Absperrmittel verschließbar. In dem 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 Oberflächenwasser, wie die Fig. 1 zeigt, durch den Kanal 4 über den Zulauf 5 auf das Kies-

filter 2 und durch den Düsenboden 6 über den Zwischenraum 7 nach unten auf den Ionenaustauscher 3 ab und passiert diesen durch seinen Boden 8; das filtrierte und dekontaminierte Reinwasser wird durch den Kanal 10 abgeführt.

Um die Filterwäsche durchzuführen, wird gemäß F i g. 2 der Abfiußkanal 10 geschlossen und durch das Rohr 11 unter öffnung der Zuleitung für das Waschwasser dieses von unten nach oben durch die auf der oberen Hälfte des Rohres 11 vorgesehene Perforation über den Düsenboden durch den Filterkies im Gegenstrom geleitet, wobei nach vorherigem Abschluß des Zuflusses 4 des zu behandelnden Wassers das Waschwasser nach oben über den Überlauf 5 und den weiteren Überlauf 13 beiderseits abgeführt wird.

Die Behandlung des Ionenaustauschers kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 erfolgt die Spülung des Ionenaustauschers 3 von unten her durch den Kanal 10. Zu diesem Zweck, wird der Abfluß des Kanals 10 geschlossen und ein nicht dargestellter, in den Kanal 10 mündender Zufluß 'für das Waschwasser geöffnet. Das Waschwasser strömt von unten nach oben durch den perforierten Boden 8 und durch den Ionenaustauscher und verdrängt das darüber- · liegende Wasser, so daß dieses über die Überläufe 13 und 15 in dem gleichen Maße abfließt, wie das Waschwasser durch den Kanal 10 zugeführt wird. Hierbei wird dafür Sorge getragen, daß der Spiegel des Waschwassers nicht den Boden des Kiesfilters erreicht, und nach erfolgter Spülung wird das Was_chwasser 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 Schalter 14 erreicht. Auf Grund 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.

Die Behandlung _ des Ionenaustauschers 7 ist seltener erforderlich als die Wäsche des Kiesfilters 2.

Die Wäsche des Kiesfilters 2 und die Behandlung des Ionenaustauschers können auch auf eine andere Weise vorgenommen werden, wie F i g. 5 und 6 zeigen.

Vor der seltener erforderlich werdenden Wäsche des Ionenaustauschers 3 wird der im Kiesfilter 2 bestehende Wasserspiegel unter den Boden 6 abgesenkt. Dann wird nach öffnung der. an das Rohr 11 angeschlossenen, nicht dargestellten Ableitung für das Reinwasser und das Regenerat die an ihn angeschlossene Wasserzuleitung geöffnet, so daß das Wasser von unten nach oben durch den Ionenaustauscher hindurchfließt, um diesen aufzulockern und zu spülen; das oberhalb des Ionenaustauschers 3 austretende Waschwasser wird durch das Rohr 11 abgeleitet.

Bei der anschließenden Regeneration wird beim geschlossenen Ablauf und bei geschlossenem Zulauf des Reinwasserkanals 10 die Regenerierlösung durch das Rohr 11 eingeleitet, wobei der Wasserspiegel des Kiesfilters abgesenkt bleibt. Nach einer ausreichenden Einwirkungsdauer wird der Ablauf für das Regenerat im Kanal 10 geöffnet und das Regenerat abgelassen. Darauf ist das Filteraggregat für erneute Filtration betriebsbereit.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entfernung radioaktiver Kationen aus weichen Oberflächenwässern im Gr.qßversorgüngsbetrieb mit mehrbettigen Schnellfilteranlagen, insbesondere für die Trinkwasserversorgung aus Talsperren und natürlichen, stehenden Gewässern, dadurch gekejo-n- .· zeichnet, daß das zu behandelnde' Ober-' flächenwasser zunächst durch ein an sieht, bekanntes, mit. Filterkies gefülltes und mit einem Zwischenboden ausgestattetes Schnellfilter offener oder geschlossener Bauart und unmittelbar anschließend unter Beibehaltung seiner Strömungsrichtung durch eine aus einem Kationen-Austauscher bestehende Schicht geführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kiesfilter (2) und der Ionenaustauscher (3) untereinander in einem Aggregat (1) angeordnet sind, daß in dem Raum zwischen den Polsterrohrdüsen eines Kiesfilters (2) und der Oberfläche der Ionenaustauscherschicht (3) ein sich über die Länge des Filters erstreckendes, auf seiner oberen Hälfte perforiertes Rohr (11) angeordnet ist, das mit je einer absperrbaren Zuflußleitung für das Waschwasser des Kiesfilters (2) und die Regenerierungslösung des Ionenaustauschers (3) und · mit einem ebenfalls absperrbaren Ablauf für das ^ Waschwasser des Ionenaustauschers.^) versehen*,. ■ ist, und daß der unterhalb des Ionenaustauschers ", (3)-angeordnete Abfluß (10). des Reinwassers· ab- ' sperrbar ausgebildet ist und eine ebenfalls absperrbare Zuleitung für das Waschwasser des Ionenaustauschers besitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Bodens des Kiesfilters (2) ein auf die elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten ansprechender Schalter (14) angeordnet ist, der ein in der in den Reinwasserabfluß mündenden Zuleitung der Behandlungsflüssigkeit liegendes Verschlußorgan steuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen