DE3301054A1

DE3301054A1 - Verfahren und nitratanlage zum entfernen von nitraten aus trinkwasser

Info

Publication number: DE3301054A1
Application number: DE3301054A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: HYDROGEL CHEMIE KORROSIONSSCHU
Current assignee: HYDROGEL CHEMIE KORROSIONSSCHU
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1984-07-19

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Nitraten aus Trinkwasser in einem Ionenaustauscher, wonach, im Zuge des Beladens einer Austauschsubstanz die im Rohwasser vorhandenen Nitrat- ', Ionen - im übrigen auch Chlorid- und Sulfat-Ionen - gegen Hydrogenkarbonat-Ionen ausgetauscht werden und nach erfolgter Beladung die Austauschsubstanz regeneriert wird. - I

Endprodukte aller biochemischen Oxidations-Vorgänge in der Natur, ' an denen Stickstoffverbindungen beteiligt sind, sind Nitrate. Bedingt | durch künstliche Düngung in der Agrarwirtschaft und Einleitung von ; Abwasser in Oberflächengewässer ist in der jüngeren Vergangenheit < der Nitratgehalt der Grund- und Oberflächenwässer kontinuierlich i angestiegen. Immer mehr häufen sich die Fälle, daß Richtwerte für zulässige Nitratkonzentrationen im Trinkwasser überschritten werden. Durch langfristige Aufnahme, Addition, Synergismus oder Kumulation ■ werden selbst Stickstoffverbindungen gesundheitsschädlich, wenn man die Möglichkeit der Karzinogenese durch diese Verbindungen mit in Betracht zieht. Folglich ist man in der Wasseraufbereitungstechnik um Nitrat-Abbau bemüht. Dazu kennt man verschiedene Verfahren.

Die sogenannten biologischen Verfahren arbeiten mit auf Aktivkohle herangezüchteten Bakterien-Rasen, wobei die Bakterien im Verlauf ihrer Stoffwechselvorgänge Nitrat über Nitrid und Ammoniak zu Stickstoff reduzieren. Die Problematik dieser Verfahren liegt in der Langwierigkeit der Züchtung der geeigneten Bakterien-Spezies begründet. Nachteile liegen in der Kapitalintensität bei gleichzeitig relativ geringer Durchsatzleistung. Zudem sind diese Verfahren auf großtechnische Maßstäbe begrenzt. - Ein weiteres Verfahren arbeitet

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nach der Technik der Umkehr-Osmose. Dabei wird das zu reinigende Wasser unter hohem Druck durch eine halbdurchlässige Membrane gedrückt. Das durch die Membrane hindurchfließende Wasser enthält je nach angewandtem Druck nur noch einen verschwindenden Teil der ursprünglichen Ionen-Konzentrationen, folglich auch der Nitrate. Das Umkehr-Osmose-Verfahren verlangt hohe apparative Kosten bei ebenfalls geringer Durchsatz-Leistung. - Außerdem kennt man zur Nitrat-Eliminierung verschiedene Ionenaustauschverfahren. Anionenaustauscher mit Kochsalz oder Natronlauge/Kohlensäure regeneriert, tauschen im Verlauf des Beladungsvorganges - im Fall der Kochsalzregeneration - die im Wasser vorliegenden Sulfat- und Nitrat-Ionen gegen Chlorid-Ionen aus. Im Fall der Natronlauge/Kohlensäure-Regeneration werden die im Wasser vorliegenden Chlorid-, Sulfat- und Nitrat-Ionen gegen Hydrogenkarbonat-Ionen ausgetauscht. Während die Kochsalzregeneration aus gesundheitlichen Gründen bedenklich ist und insbesondere erhebliche Korrosionsgefahr für die wasserführenden Leitungen mit sich bringt, ist die Natronlauge/Kohlensäure-Regeneration aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Nitratanlage zum Entfernen von Nitraten aus Trinkwasser in einem Ionenaustauscher anzugeben, welches in einfacher und wirtschaftlicher Weise allen hygienischen Ansprüchen an die Trinkwasseraufbereitung gerecht wird.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch, daß die Austauschsubstanz mittels einer Natriumbi-

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karbonat-Lösung regeneriert wird. In diesem Zusammenhang ist nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ferner vorgesehen, daß als Austauschsubstanz ein Anionen-Austauschharz mit einer organischen acrylischen Matrix und darin eingebetteten tertiären Aminogruppen als Ankergruppen verwendet wird. - Im Rahmen der Erfindung wird das Anionen-Austauschharz als freie Basis geliefert. Durch Regeneration mit der Natriumbikarbonat-Lösung wird das Harz in die Bikarbonat-Form überführt:

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R-N-HCO „

Im Verlauf der Beladung des Harzes mit zulaufendem Wasser werden die Anionen starker Säuren NO₃, SO.² und CI gegen Hydrogen-Karbonat-Ionen ausgetauscht, z. B.

|θ θ θ |θ - θ

R-N-HCO₀ + NO„ > R-N-NO_q + HCO„

Die Anionen der starken Säuren werden aufgenommen und die Bikarbonate freigegeben. Nach Beladung des Anionen-Austauschharzes mit den Anionen wird das Austauschharz im Rahmen der Erfindung durch Regeneration mit einer gesättigten Natriumbikarbonat-Lösung wieder in die Bikarbonat-Form überführt. Überraschenderweise zeigt das Anionen-Austauschharz bei der erfindungsgemäßen Regenerationstechnik keinen Abfall der nutzbaren Volumenkapazität. So ist beispielsweise das Vorschalten eines starksauren Kationenaustausch-Filters nicht erforderlich.

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Weitere erfindungswesentliche Maßnahmen sind im folgenden aufgeführt. So sieht die Erfindung vor, daß die Natriumbikarbonat-Lö- \ sung durch Beimischung von heißem Wasser auf eine vorgegebene Temperatur, z. B. eine 10%-ige Natriumbikarbonat-Lösung auf 20° C eingestellt wird. Eine 15%-ige Natriumbikarbonat-Lösung wird beispielsweise auf 25° C eingestellt. Dadurch wird die Löslichkeit des Natriumbikarbonat-Salzes, welches an sich schwer löslich ist, erheblich erleichtert. - Weiter lehrt die Erfindung, daß die Austauschsubstanz bzw. das Anionen-Austauschharz im Zuge einer Rückspülung mittels einer Natriumhypochlorit-Lösung oder einer natriumhypochlorithaltigen Kochsalzlösung entkeimt bzw. desinfiziert wird. Denn das Anionen-Austauschharz nimmt unter Umständen Mikroorga-' nismen aus wässrigen Lösungen auf, so daß gegebenenfalls mit einem mikrobiellen Bewuchs des Austauschharzes zu rechnen ist. Für diesen Fall ist die aus hygienischer Sicht erforderliche Rückspülung! nach Lehre der Erfindung vorgesehen. Denn durch diese Rückspülung erfolgt eben eine Desinfektion des Anionen-Austauschharzes. Außerdem empfiehlt sich zumindest nach erfolgter Regenerierung des Anionen-Austauschharzes dessen Nachwaschen mittels Rohwasser. Im übrigen sieht die Erfindung vor, daß die Austauschsubstanz nach vorgegebener Betriebsstillstandzeit vor einer erneuten Trinkwasserentnahme entkeimt und regeneriert wird. Das Anionen-Austauschharz wird stets werkseitig gereinigt, um einwandfreie Wasserqualitäten zu erzielen. Die Reinigung dient der Entfernung am Aus-i tauschharz anhaftender Aminogruppen und niedrig molekularer Po-: lymergruppen.

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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Nitratanlage, die für die Durchführung des beanspruchten Verfahrens besonders geeignet ist. Und zwar handelt es sich um eine Nitratanlage mit einem Ionenaustauscher, einer zu dem Ionenaustauscher führenden Rohwasserzuführungsleitung und einer von dem Ionenaustauscher fortführenden Reinwasserabführungsleitung mit in die Leitungen eingesetzten Absperrorganen. Diese Nitratanlage ist dadurch gekennzeichnet, daß an die Rohwasserzuführungsleitung ein Regeneriermittelbehälter über eine Förderleitung mit Pumpe und an die Reinwasserabführungsleitung eine Auslauf leitung mit einem Absperrorgan angeschlossen ist, die zu einem Abfluß führt. Weiter ist vorgesehen, daß an die Rohwasserzuführungsleitung eine zu dem Ionenaustauscher führende Rückspülleitung mit einem Absperrorgan, einem Injektor und einer von dem Injektor zu einem Entkeimungsmittelbehälter führenden Ansaugleitung angeschlossen ist, und daß zwischen dem Absperrorgan in der Rohwasserzuführungsleitung und dem Ionenaustauscher die Auslaufleitung mit ihrem Absperrorgan an die Rohwasserzuführungsleitung angeschlossen ist. Ferner kann von der Rohwasserzuführungsleitung eine Verdünnungsmittelleitung mit Absperrorgan zu dem Regeneriermittelbehälter führen. Endlich sieht die Erfindung vor, daß in die Reinwasserabführungsleitung ein Kontaktwasserzähler mit einem Steuerkreis für die Absperrorgane und Pumpe eingesetzt ist, so daß eine voll automatische Nitratanlage verwirklicht wird.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß ein Verfahren und eine Nitratanlage zum Entfernen von Nitraten aus Trinkwasser in einem Ionenaustauscher verwirklicht werden, die in apparativer und funktioneller Hinsicht unkompliziert und wirtschaftlich arbeiten bzw. aufgebaut sind sowie

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darüber hinaus ohne Schwierigkeiten eine stets hygienische Trink-' wasseraufbereitung ermöglichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Aus- j führungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen: I

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Nitratanlage im Fließschema,

Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1 im Falle der mit Entkeimung gekoppelten Rückspülung,

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 1 im Falle der Regeneration !

und

Fig. 4 den Gegenstand nach Fig. 1 im Falle des Nachwaschens.

In den Figuren ist eine Nitratanlage zum Entfernen von Nitraten aus j Trinkwasser dargestellt, und zwar mit einem Ionenaustauscher 1, einer zu dem Ionenaustauscher 1 führenden Rohwasserzuführungsleitung 2 und einer von dem Ionenaustauscher 1 fortführenden Reinwasserabführungsleitung 3 mit in die Leitungen 2, 3 eingesetzten Absperrorganen 4, 5. An die Rohwasserzuführungsleitung 2 ist ein Regeneriermittelbehälter 6 - nach Lehre der Erfindung für eine ge-! sättigte Natriumbikarbonat-Lösung - über eine Förderleitung 7 mit Pumpe 8 und an die Reinwasserabführungsleitung 3 eine Auslaufleitung 9 mit einem Absperrorgan 10 angeschlossen, die zu einem Abfluß 11, beispielsweise Kanal, führt. An die Rohwasserzuführungs-. leitung 2 ist eine zu dem Ionenaustauscher 1 führende Rückspüllei-

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tung 12 mit einem Absperrorgan 13, einem Injektor 14 und einer von dem Injektor 14 zu einem Entkeimungsmittelbehälter 15 führenden Ansaugleitung 16 angeschlossen. Zwischen dem Absperrorgan 4 in Rohwasserzuführungsleitung 2 und dem Ionenaustauscher 1 ist die Auslaufleitung 9 mit ihrem Absperrorgan 10 an die Rohwasserzuführungsleitung 2 angeschlossen. Der Entkeimungsmittelbehälter 15 dient zur Aufnahme einer Natriumhypochlorit-Lösung oder einer natriumhypochlorithaltigen Kochsalzlösung. Von der Rohwasserzuführungsleitung 2 kann außerdem eine Verdünnungsmittelleitung 17 mit Absperrorgan 18 zu dem Regeneriermittelbehälter 6 führen. Darüber hinaus ist in die Reinwasserabführungsleitung 3 erh Kontaktwasserzähler 19 mit einem Steuerkreis bzw. einer Steuervorrichtung für die Absperrorgane und Pumpe eingesetzt, was nicht im einzelnen dargestellt ist.

Diese Nitratanlage arbeitet wie folgt. Die Absperrorgane 4, 5 in der Rohwasserzuführungsleitung 2 und der Reinwasserabführungsleitung 3 sind geöffnet. Vorgefiltertes, nitrathaltiges Wasser fließt dem Ionenaustauscher 1 zu. Das Anionen-Austauscherharz bewirkt den Austausch der Nitrat-Ionen gegen Natriumhydrogenkarbonat-Ionen. Das aufbereitete, nitratfreie Trinkwasser wird mengenmäßig von dem Kontaktwasserzähler 19 erfaßt. Nach Durchsatz einer vorab in der Steuervorrichtung eingestellten Wassermenge, die sich nach dem Nitrat-Gehalt des Wassers richtet, wird automatisch die Regeneration der Nitratanlage ausgelöst.

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Im Falle der mit Entkeimung gekoppelten Rückspülung werden die Absperrorgane 13, 10 in der Rückspülleitung 12 und Auslaufleitung 9 geöffnet. Das Anionen-Austauschharz wird in umgekehrter Richtung durchströmt. Mit dem Rückspülstrom wird über den Injektor 14 die alkalische Natriumhypochlorit-Lösung angesaugt, so daß gleichzeitig mit der Auflockerung des Harzbettes die Entkeimung stattfindet. Die gebrauchsfertige alkalische Natriumhypochlorit-Lösung wird aus den handelsüblichen Natriumhypochlorit-Lösungen (15%) und Natronlauge (45%) hergestellt. Somit enthält der Rückspülwasserstrom die erforderliche Aktivchlormenge. Die Rückspülzeit wird am Steuerkreis auf beispielsweise 5 bis 15 Min. eingestellt.

Im Falle der Regeneration werden die vorerwähnten Absperrorgane 4, 5, 10 geschlossen und ein in einer Verbindungsleitung 20 zwischen Reinwasserabführungsleitung 3 und Auslaufleitung 9 angeordnete Absperrorgan 21 geöffnet. Die Pumpe 8 in der Förderleitung 7 fördert eine beispielsweise 10%-ige Natriumbikarbonat-Lösung in den Ionenaustauscher 1 bzw. über das Anionen-Au'stauschharz. Die Regenerierablauge fließt über die Auslaufleitung 9 in den Abfluß 11 bzw. Kanal. Die Dauer der Regeneration ist an dem Steuerkreis mit beispielsweise 60 Min. eingestellt.

Für das Nachwaschen wird die Pumpe 8 in der Förderleitung 7 abgeschaltet. Ein zentrales Steuerventil schaltet auf Nachwaschen. Das Absperrorgan 4 in der Rohwasserzuführungsleitung 2 wird geöffnet, das Absperrorgan 21 in der Verbindungsleitung 20 bleibt geöffnet.

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Bei geschlossener Reinwasserabführungsleitung 3 wird, der Ionenaustauscher 1 mit Rohwasser nachgewaschen, wobei das Filtrat über die Auslaufleitung 9 in den Kanal 11 fließt. Die Dauer dieses Schrittes beträgt regelmäßig 15 Min. Gleichzeitig wird der Regeneriermittelbehälter 6 gefüllt. Seine Abschaltung erfolgt über einen Niveauschalter.

Nach dem Nachwaschvorgang schaltet der Steuerkreis auf Betrieb. Das Absperrorgan 5 in der Reinwasserabführungsleitung 3 öffnet, das Absperrorgan 4 in der Rohwasserzuführungsleitung 2 bleibt geöffnet, das Absperrorgan 21 in der Verbindungsleitung 20 wird geschlossen. Der betriebsbereite Zustand der Nitratanlage wird durch ein Lichtsignal angezeigt. Für eine beispielsweise von 0 bis 2 Std. einstellbare Zeit bleibt die elektronische Fließsicherung außer Betrieb. Ist die mögliche Betriebsstillstandzeit länger als die eingestellte Zeit, so erfolgt automatisch bei erneuter Wasserentnahme zunächst Regeneration zum Zweck der Entkeimung.

Gegenstand der Hilfsgebrauchsmusteranmeldung ist der Ionenaustauscher 1 mit dem Anionenaustauschharz mit einer organischen Matrix und darin eingebetteten Aminogruppen als Ankergruppen.

Claims

Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Anwaltsakte: 59 709/AS. 4300 Essen 1, Theaterplati 3, Postf. 100254 22. Dezember 1982 Patentanmeldung t -; hydrogel-Chemie Korrosionsschutzgesellschaft mbH Am Maifeld 16 4760 Werl Verfahren und Nitratanlage zum Entfernen von Nitraten aus Trinkwasser Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entfernen von Nitraten aus Trinkwasser in einem Ionenaustauscher, wonach im Zuge des Beladens einer Austauschsubstanz die im Rohwasser vorhandenen Nitrat-Ionen gegen Hydrogenkarbonat-Ionen ausgetauscht werden und nach erfolgter Beladung die Austausch-

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substanz regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschsubstanz mittels einer Natriumbikarbonat-Lösung regeneriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ; Natriumbikarbonat-Lösung durch Beimischung von heißem Wasser auf ; eine vorgegebene Temperatur, z. B. eine 10%-ige Natriumbikarbonat-Lösung auf 20° C eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschsubstanz im Zuge einer Rückspülung mittels einer Natriumhypochlorit-Lösung oder einer natriumhypochlorithaltigen Kochsalzlösung entkeimt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschsubstanz nach erfolgter Regenerierung mittels Rohwasser nachgewaschen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschsubstanz nach vorgegebener Betriebsstillstandzeit vor einer erneuten Trinkwasserentnahme entkeimt und regeneriert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Austauschsubstanz ein Anionen-Austauschharz mit einer organischen Matrix und darin eingebetteten Aminogruppen als . Ankergruppen verwendet wird.

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7. Nitratanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Ionenaustauscher, einer zu dem Ionenaustauscher führenden Rohwasserzuführungsleitung und einer von dem Ionenaustauscher fortführenden Reinwasserabführungsleitung mit
in die Leitungen eingesetzten Absperrorganen, dadurch g e k e nnzeichnet, daß an die Rohwasserzuführungsleitung (2) ein Regeneriermittelbehälter (6) über eine Förderleitung (7) mit Pumpe (8) und an die Reinwasserabführungsleitung (3) eine Auslaufleitung (9) mit einem Absperrorgan (10) angeschlossen ist, die zu einem Abfluß (11) führt.

8. Nitratanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Rohwasserzuführungsleitung (2) eine zu dem Ionenaustauscher (1) führende Rückspülleitung (12) mit einem Absperrorgan (13), einem Injektor (14) und einer von dem Injektor (14) zu einem Entkeimungsmittelbehälter (15) führenden Ansaugleitung (16) angeschlossen ist, und daß zwischen dem Absperrorgan (4) in der Rohwasserzuführungsleitung (2) und dem Ionenaustauscher (1) die Auslaufleitung (9) mit ihrem Absperrorgan (10) an die Rohwasserzuführungsleitung (2) angeschlossen ist.

9. Nitratanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß von der Rohwasserzuführungsleitung (2) eine Verdünnungsmittelleitung (17) mit Absperrorgan (18) zu dem Regeneriermittelbehälter (6) führt.

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Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwähe in Essen

10. Nitratanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Reinwasser abführungsleitung (3) ein Kontaktwasserzähler (19) mit einem Steuerkreis für die - Absperrorgane und die Pumpe eingesetzt ist.

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