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Verfahren zum Entfernen von Nitrat aus Grundwasser
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Nitrat aus
Grundwasser.
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Aus gesundheitlichen Grunden wird gefordert, daß Trinkwasser Nitrat
nur bis zu einem bestimmten Grenzwert enthalt.
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Aufgrund der hohen Loslichkeit aller Nitrate gibt es praktisch kein
zum Zweck der Wasseraufbereitung einsetzbares Fallverfahren. Es konnen aber bekannte
Entsalzungsverfahren eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nitrat aus Grundwasser auf
einfache Weise zu entfernen und dabei insbesondere ein wirtschaftliches Verfahren
dafür zu finden, wie das nitrathaltige Konzentrat weiter zu behandeln ist.
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Erfindungsgemaß geschieht dies dadurch, daß man das Grundwasser einer
Behandlung durch Umkehrosmose oder Ionenaustausch unterwirft und ein behandeltes
Wasser sowie getrennt davon ein nitratreiches Konzentrat abzieht, wobei der Nitratgehalt
im Konzentrat etwa 5 - 20 mal so hoch wie im unbehandelten Grundwasser ist, und
daß man das Konzentrat einer biologischen Denitrifikation unterzieht.
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Die Umkehrosmose sowie der Ionenaustausch fuhren jeweils zu einem
nitratreichen Abwasser, das nicht in einen Vorfluter geleitet werden kann. Wurde
man das Grundwasser jedoch
biologisch denitrifizieren, entstünde
die Notwendigkeit, das denitrifizierte Wasser einer aufwendigen Nachbehandlung zu
unterwerfen, um biologisch abbaubare Inhaltsstoffe und Bakterien zu entfernen. Beim
erfindungsgemäßen Verfahren wird dafür gesorgt, daß sich die Nachteile der verschiedenen
Behandlungsstufen nicht storen auswirken, vielmehr fallt nur eine relativ kleine
Menge an Schlamm an, der ohne weiteres deponierbar ist.
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Bei der an sich bekannten Umkehrosmose wird das zu behandelnde Grundwasser
unter hohem Druck durch eine Membranwand gepreßt, welche außer für das molekular
geloste Kohlendioxid für die anderen gelosten Wasserinhaltsstoffe nahezu undurchlassig
ist. Bekannte Membranen sind z.B. auf der Basis von Zellulosetriacetat ausgebildet.
Bei der Umkehrosmose fallt neben dem Konzentrat ein weitgehend salzfreies Wasser
an, das anschließend entsprechend des gewünschten Salzgehaltes mit unbehandeltem
Grundwasser gemischt wird. Aufgrund des nahezu vollstandigen Schlupfs des Kohlendioxids
ist eine Entsaurung des behandelten Wassers erforderlich. Als Vorbehandlung des
Rohwassers kann eine Filtration zum Entfernen suspendierter und kolloidaler Inhaltsstoffe
sowie zur Elimination von Eisen, Mangan oder organischer Stoffe notwendig sein,
um ein frühzeitiges Verstopfen der Membrane zu vermeiden. Zur Vorbehandlung kann
auch eine Entsauerung und eine Desinfektion gehören.
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Ein Vorteil des Umkehrosmose-Verfahrens liegt darin, daß im behandelten
Wasser der gesamte Salzgehalt und damit auch die Gesamtharte, was oft erwünscht
ist, gegenüber dem Rohwasser erniedrigt ist.
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Wenn man das Grundwasser durch Ionenaustausch entsalzt, empfiehlt
sich die Verwendung eines Mischbettes aus einem
schwach sauren Kationenaustauscher
in der H-Form und einem stark alkalischen Anionenaustauscher in der HCO3-Form.
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Das weiter zu behandelnde Konzentrat fallt beim Regenerieren der Austauscherharze
an, das mit Hilfe von Kohlendioxid erfolgt. Das Konzentrat, das hier auch als Regenerat
bezeichnet wird, enthalt insgesamt eine relativ geringe Salzfracht und ist besonders
dann leicht weiter zu behandeln, wenn man bereits aus dem Rohwasser CaCO3 und CaSO4
entfernt hat. Eine Vorreinigung des Rohwassers zum Entfernen von Trübstoffen kann
erforderlich sein, ferner wird beim Erzeugen von Trinkwasser darauf zu achten sein,
daß im Ionenaustauschfilter keine Verkeimung auftritt. Man wird deshalb vorsorglich
das behandelte Wasser nach dem Ionenaustausch ebenso wie nach der Umkehrosmose einer
Desinfektion zu unterziehen haben.
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Einzelheiten des Verfahrens werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert,
in welcher die Verfahrensführung schematisch dargestellt ist.
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Aus der Leitung 1 kommt das zu behandelnde Grundwasser, von dem angenommen
wird, daß sein Nitratgehalt etwa 100 bis 300 mg/l betragt. Hohere oder auch niedrigere
Werte sind moglich. In der Behandlungsstufe 2 erfolgt die Entsalzung entweder durch
Umkehrosmose oder durch ein Mischbett aus schwach saurem Kationenaustauscher und
stark alkalischem Anionenaustauscher. Das behandelte Wasser in der Leitung 3 weist
nun noch einen Nitratgehalt von hochsteins 1 mg/l auf, es wird zunachst im Mischbehalter
4 mit unbehandeltem Grundwasser aus der Leitung 6 gemischt, um den gewunschten Salzgehalt
fur die spatere Verwendung als Trinkwasser einzustellen. Es folgt eine Entsauerung
5, um einen C02-Uberschuß zu entfernen. Je nach Erfordernis kann sich eine Desinfektion
7 anschließen, bevor das wasser in der Leitung 8 in ein Trinkwassernetz abgegeben
wird.
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In der Behandlungsstufe 2 fallt ein nitratreiches Konzentrat an, dessen
Nitratgehalt etwa 5 - 20 mal so hoch ist wie im Grundwasser der Leitung 1. Arbeitet
die Behandlungsstufe 2 mit der Umkehrosmose, so handelt es sich beim Konzentrat
um den nicht durch die Membran gegangenen Teil des Grundwassers, dessen Salzgehalt
entsprechend erhoht ist. Ist das Grundwasser der Leitung 1 in der Stufe 2 aber durch
ein Ionenaustausch-Verfahren behandelt worden, so fallt in der Leitung 10 das als
Regenerat bezeichnete Konzentrat an, das beim Reinigen und Regenerieren der Ionenaustauscherharze
entsteht. Zum Zwecke dieser Regenerierung wird dem zeitweilig außer Betrieb geschalteten
Teil des Mischbettes CO2 aus der Leitung 11 zugeführt. Die Nitratkonzentration in
der Flüssigkeit in der Leitung 10 liegt auch in diesem Fall im Bereich vom 5 bis
20-fachen und vorzugsweise 8 bis 15-fachen des Nitratgehalts des Wassers der Leitung
1.
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Die Flüssigkeit in der Leitung 10 wird nun zum Entfernen von Nitrat
einer biologischen Denitrifikation 12 unterzogen. Fur die Arbeitsfahigkeit der heterotrophen
Bakterien in der Denitrifikation 12 ist die Zufuhr einer kohlenstoffhaltigen Verbindung
aus der Leitung 13 notig. Bei dieser kohlenstoffhaltigen Verbindung kann es sich
in bekannter Weise z.B. um Alkohol, etwa Methanol, Zucker, Melasse, Speiseöl oder
Speisefett handeln. Der biologischen Denitrifikation 12 wird in der Leitung 15 ein
nitratarmes Abwasser mit einem Nitratgehalt von höchstens 10 mg/l entnommen, das
in einen Vorfluter gegeben werden kann. In der Leitung 16 fallt ein Schlamm an,
dessen Volumen relativ gering ist und der deshalb ohne Schwierigkeilen deponiert
werden kann.
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Beispiel 1: In einer der Zeichnung entsprechenden Anordnung wird pro
3 Stunde 1 in Rohwasser, das bereits desinfiziert ist, behandelt. Deshalb kann die
Desinfektion 7 entfallen. Die Behandlungsstufe 2 ist als Umkehrosmose ausgestattet,
wobei man Cellulose-Triacetat-Membranen verwendet. Dem Mischbehälter 4 führt man
durch die Leitung 6 pro Stunde 3 0,1 m Rohwasser zu. Die Entsauerung 5 erfolgt dadurch,
daß man in einem Behalter durch Belüften überschüssige freie Kohlensäure bis zur
Einstellung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts entfernt. Die biologische Denitrifikation
12 arbeitet als Wirbelbett mit Festkorpern als Träger des biologischen Rasens, durch
die Leitung 13 wird pro Stunde 84 g Methanol zugeführt.
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Der Gehalt an NO3 - -- Cl und Der Gehalt an NO3 , SO4 , C1 und HCO3
, jeweils in mg/1 in den verschiedenen Leitungen sowie die Flüssigkeitsmengen in
m /h sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen: Leitung 1 3 8 10 15 Menge 1 0,75
0,85 0,25 0,25 NO3 150 15 30 555 1 SC;4 80 8 16 296 1 CL 120 12 24 444 444 C, 108
11 22 400 Das Wasser der Leitung 15 enthalt organische Bestandteile entsprechend
einem chemischen Sauerstoffbedarf von 1 mg/l; in der Leitung 16 wird Uberschußschlamm
abgezogen.
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Beispiel 2 Rohwasser, das bereits weitgehend frei von Eisen und Mangan
ist, wird mit einem Nitratgehalt von 150 mg/l über ein Mischbett aus einem schwach
sauren Kationenaustauscher in der H-Form und einem stark basischen Anionenaustauscher
in der HCO3-Form geleitet. Dabei fallt ein behandeltes 3 Wasser in einer Menge von
10 m an, das pro Liter weniger als 1 mg NO3 enthalt und praktisch keine Harte mehr
aufweist. Um daraus ein für Trinkzwecke geeignetes Wasser zu bereiten, wird es mit
4 m3 Rohwasser gemischt. Anschließend wird die überschüssige freie Kohlensaure in
bekannter Weise durch Belüftung so weit entfernt, daß sich das Wasser im Kalk-Kohlensaure-Gleichgewicht
befindet. Die 14 m3 Trinkwasser enthalten nunmehr 44 mg NO3 /1; nach Entkeimung
mit Chlor kann das Wasser abgegeben werden.
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Der beladene Mischbettaustauscher wird mit Kohlendioxid und Wasser
regeneriert. Dabei fallt pro 14 m3 Trinkwas-3 ser 1 in Regenerat an, das neben Chlorid-
und Sulfationen pro Liter 1500 mg NO3 - enthalt. Unter Zusatz von 3',7 kg Methanol
wird das Regenerat biologisch in einer Wirbelbettreaktor bei einer Verweilzeit von
20 Minuten denitrifiziert. Das aus der biologischen Denitrifikationsstufe ablaufende
Abwasser weist noch einen Nitratgehalt von etwa 1 mg/l auf und hat einen chemischen
Sauerstoffbedarf von unter 50 mg/l.