DE4327598C2 - Verwendung von Aktivkohle bei der Wasseraufbereitung, insbesondere für die Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Aktivkohle als Pulver, Granulat, Pressling oder Extrudat zur Adsorbtion von Trihalogenmethanen (Haloformen) und adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen (AOX) sowie zur Reduktion von Chloraminen bei der Wasseraufbereitung, insbesondere von Schwimm- und Badebeckenwasser.

Bei der Desinfektion von Schwimm- und Badebeckenwasser entstehen aus Chlor und organischen Stoffen (Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen) unerwünschte Reaktionsprodukte. Diese Belastungsstoffe können sowohl durch das Füllwasser (z. B. Huminstoffe) oder durch den Badegast (Schmutzeintrag) ins Beckenwasser gelangen. Die Reaktionsprodukte aus organischer Substanz und Chlor sind in erster Linie Trihalogenmethane, hier zum größten Teil Chloroform, AOX sowie Chloramine (gebundenes Chlor), hier zum größten Teil Monochloramin (NH₂Cl).

Diese Stoffe und Stoffgruppen können, bei zu hoher Konzentration im Badewasser, die menschliche Gesundheit schädigen. Trihalogenmethane stehen beispielsweise im Verdacht kanzerogene und mutagene Eigenschaften zu haben. Der Entwurf der Schwimmbeckenwasserverordnung und die überarbeitete DIN 19 643 (Aufbereitung und Desinfektion von Schwimm- und Badebeckenwasser) beinhaltet deshalb Richtwerte für die oben genannten Stoffe. Die Werte betragen für Chloramin maximal 0,2 mg/l und für Trihalogenmethan maximal 20 µg/l.

Umfangreiche Untersuchungen des Bundesgesundheitsamtes haben gezeigt, daß durch den Einsatz von spezieller Pulveraktivkohle Trihalogenmethane adsorbiert und Chloramine reduziert werden, was zu einer wesentlichen Verbesserung der Beckenwasserqualität führt. Durch die Reduzierung des gebundenen Chlors erhält man zusätzlich ein geruchfreies Schwimmbeckenwasser und verhindert dadurch gleichzeitig den typischen Chlorgeruch in der Hallenluft.

Wie bereits oben erwähnt, wird in der neuen DIN 19 643 der Einsatz von Pulveraktivkohle für eine neue Verfahrensstufe vorgeschlagen.

Diese Pulveraktivkohle hat nun die Aufgabe, sowohl Trihalogenmethane und AOX zu adsorbieren, als auch den Gehalt an gebundenem Chlor zu reduzieren. Die Adsorbtion ist eine rein physikalische Reaktion, die Reduktion von Chloramin eine rein chemisch­ katalytische Reaktion zwischen o.g. Wasserinhaltsstoffen und der Pulveraktivkohle. Dies sind zwei unterschiedliche Vorgänge, die es aufeinander abzustimmen gilt. Desweiteren muß die Pulveraktivkohle, um nicht ins Schwimm- und Badebecken zu gelangen, vor das Filter (Sandfilter oder Anschwemmfilter) in den Umwälzkreislauf dosiert werden. Dies bedeutet, daß die Pulveraktivkohle ein gute Filtrierbarkeit aufweisen muß, um sowohl ein Durchschlagen als auch ein zu schnelles Verstopfen des Filters zu vermeiden. Zu feines Produkt schlägt durch, zu grobes Produkt wird nur auf der Filteroberfläche angeschwemmt und verstopft das Filter zu schnell. Darüberhinaus muß die Pulveraktivkohle sowohl für Anschwemmfilter als auch für Sandfilter gleichsam einsetzbar sein. Die einzusetzende Pulveraktivkohle muß dabei in erster Linie der DIN 19 603 entsprechen.

Bekannte Pulveraktivkohlen sind entweder nur auf die Adsorbtion oder nur auf die Reduktion von Wasserinhaltsstoffen ausgelegt. Diese wasserdampfaktivierten Pulveraktivkohlen sind deshalb nicht in der Lage, die Adsorbtion der Trihalogenmethane sowie die Reduktion von Chloraminen in zufriedenstellender Weise zu bewirken. Auch entsprechen diese Pulveraktivkohlen nicht der DIN 19 603. Die Gründe dafür liegen in der kostengünstigeren Herstellung dieser chemischen Aktivate durch z. B. Zinkchlorid oder Phosphorsäure. Reste dieser Aktivierungsmittel sind nachweislich noch an diesen Pulveraktivkohlen enthalten und gestatten aus diesem Grund nicht den Einsatz dieser Kohlen in der Trink- und Badebeckenwasseraufbereitung.

Desweiteren können handelsübliche Pulveraktivkohlen eine exakt definierte und auf die Verfahrenstechnik der Flockung, Filtration und Chlorung abgestimmte Korngrößenverteilung nicht aufweisen. Für diese Anwendung ist es notwendig, das Rohprodukt mehrfach windzusichten und zu sieben, um eine notwendigerweise sehr scharfe Verteilungskurve einhalten zu können.

Ein weiteres Problem bei einigen handelsüblichen Pulveraktivkohlen ist die Forderung, das Produkt sowohl bei Sandfiltern als auch bei Anschwemmfiltern einzusetzen. Wird das Produkt aus einem Rohprodukt mit zu hoher Dichte wie z. B. Stein- oder Braunkohle hergestellt, liegt die Dichte dieses Produktes zu hoch, um bei der Anschwemmfiltration eingesetzt werden zu können. Bei diesen ist die Verteilung der Pulveraktivkohle auf den Anschwemmflächen während der Primär- und Sekundäranschwemmung voraussichtlich aufgrund stärkerer Sedimentationsgeschwindigkeiten nicht optimal.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Aktivkohle der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, daß bei ihrer besonders für die Wasseraufbereitung bestimmten Verwendung die eingangs genannten Probleme und Nachteile vermieden werden. Vor allem soll es die zu entwickelnde Aktivkohle ermöglichen, daß die Adsorbtion und Reduktion, sowie beim Einsatz von Pulveraktivkohle die Filtration, in verfahrenstechnischer Beziehung optimal aufeinander abgestimmt sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Ein entscheidender Vorteil der Erfindung ist darin erkennbar, daß aufgrund der vorliegenden Porengrößenverteilung und des gewählten Jodzahlbereiches die in mit Chlor behandeltem Schwimm- und Badebeckenwasser vorhandenen Trihalogenmethane unter die geforderten Richtwertkonzentrationen reduziert und die notwendigen katalytischen Eigenschaften zur Reduktion der Chloramine aufgebracht werden.

Auch löst die Erfindung die bisher bei der Filtration aufgetretenen Probleme durch die vorgeschlagene Wahl der Korngrößenverteilung in äußerst vorteilhafter Weise dadurch, daß die Korngrößen der Aktivkohle zwischen der im Anspruch 1 bildhaft dargestellten oberen und unteren Verteilungsgrenze liegen. Demnach ist im idealen Fall die Korngrößenverteilung so gestaltet, daß z. B. ca. 15 Gewichtsprozent der Aktivkohle kleiner als 10 µm ist. Entsprechend der unteren Verteilungsgrenze sollen mindestens ca. 3 Gewichtsprozent der gesamten Aktivkohle kleiner 10 µm sein, entsprechend der oberen Verteilungsgrenze sollen maximal ca. 40 Gewichtsprozent kleiner als 10 µm sein.

Aufgrund dieser auf die Verfahrenstechnik der Flockung, Filtration und Chlorung abgestimmten Korngrößenverteilung ist die Aktivkohle in der Lage, ohne durch das Filter durchzuschlagen, bis tief in dieses vorzudringen und somit die geforderten Filterstandzeiten, respektive die Reduktions- und Adsorbtionsleistung durch Raumfiltration zu erreichen. Darüberhinaus ist der Einsatz der erfinderischen Aktivkohle auch bei Sandfiltern und Anschwemmfiltern problemlos möglich.

Für die Reaktionen im aufzubereitenden Wasser wird diese Aktivkohle in pulveriger Form vor das jeweilige Filter, im Falle einer Flockungsstufe zwischen Flockungsmittelzugabe und Filter dosiert und anschließend komplett vom jeweiligen Filter aufgefangen. Die Aktivkohle in pulveriger Form lagert sich aufgrund der Korngrößenverteilung nach Anspruch 1 bis tief in das Filter ein und gewährleistet die geforderten Filterstandzeiten. Die Reaktionen mit den oben genannten Schadstoffen finden sofort nach der Zugabe der Aktivkohle in pulveriger Form, aber auch während des Aufenthalts dieser im Filter, bis zu dessen Rückspülen, statt.

Zum zweiten ist es durch die Erfindung möglich, die Aktivkohle in Form von Korn oder als Granulat, Extrudat oder Pressling aus der pulverigen Aktivkohle vor der Filtration einzusetzen, wobei darauf zu achten ist, daß die Eigenschaften nach Anspruch 1, beispielsweise durch die Formgebung, nicht verändert werden.

Für beide Fälle treten folgende Reaktionen auf:

• 1. Adsorbtion von Trihalogenmethanen (Haloformen) und AOX an der Aktivkohle
• 2. Abbau von Chloramin durch die Aktivkohle.

Beim Einsatz der Erfindung als Pulveraktivkohle wird das Filter nach einer maximalen Filterstandzeit, bei Sandfiltern von zwei Tagen, bei Anschwemmfiltern von ca. 10 Tagen rückgespült und die verbrauchte bzw. beladene Aktivkohle aus dem System entfernt, so daß immer wieder neues Mittel zugeführt werden kann. Beim Einsatz der Erfindung als Korn oder Granulat, Extrudat oder Pressling aus der pulverigen Aktivkohle wird diese nach Verbrauch aus dem System entfernt und neues Produkt zugegeben.

Untersuchungen haben ergeben, daß marktübliche Aktivkohlen die erwähnten Filtrations-, Abbau- und Reduktionsleistungen nicht erbringen.

So zum Beispiel die getestete marktübliche Aktivkohle SA 3 von der Firma Norit Adsorbtion GmbH. Diese Aktivkohle weist auch einen zu geringen Mikroporenanteil auf. Laut Ullmanns "Enzyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Seite 751, werden als Grenzen der Porenradien zylindrischer Poren bzw. der Weite ebener Poren 1,5 bis 20 nm zwischen Mikro- und Mesoporen und 20 bis 100 nm zwischen Meso- und Makroporen angenommen. Der Anteil der Mikroporen liegt bei dieser Kohle bei 0,28 ml/g, der der Mesoporen bei nur 0,22 ml/g. Auch führt die grobe Korngrößenverteilung dieser Aktivkohle mit 4 Gewichtsprozent größer als 150 µm zu einem schnellen Verstopfen der Filter. Bei den Versuchen mit dieser Aktivkohle konnte weder der gewünschte Abbau von Chloraminen und AOX noch eine gute Filtrierbarkeit erreicht werden. Dies konnte auch bei einer weiteren getesteten marktüblichen Aktivkohle mit der Bezeichnung 313 W der Firma Chemviron Carbon GmbH beobachtet werden. Auch dieses Produkt weist nicht die erforderliche Filtrierbarkeit und Abbauleistung auf, da auch hier über 4 Gewichtsprozent Korngrößen über 125 um aufweisen und die Jodzahl dieser Aktivkohle nur 800 mg Jod/g sowie der Anteil an Mikroporen 0,25 ml/g, der der Mesoporen 0,45 ml/g beträgt.

In den Druckschriften DE 29 04 429 B2, DE 26 56 169 C2 sowie DE 35 15 637 A1 sind weitere Aktivkohlen beschrieben, doch weisen auch diese Aktivkohlen keinesfalls die besonderen Eigenschaften der vorgeschlagenen Aktivkohle auf.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf das im Anspruch 1 dargestellte Diagramm anhand von zwei Ausführungsbeispielen der Flockung-Filtration-Adsorbtion und Desinfektion näher erläutert. Das Diagramm selbst zeigt die erfinderische Korngrößenverteilung der Aktivkohle. Auf der Abszisse ist die Partikelgröße von 1 bis 1000 µm und auf der Ordinate die Verteilung in Gewichtsprozent angegeben. Die links dargestellte Kurve beschreibt die obere Verteilungsgrenze. Die rechts eingezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der unteren Verteilungsgrenze. Zwischen den Verteilungsgrenzen ist die Verteilungskurve durch eine Anzahl von Meßpunkten dargestellt.

Die Aktivkohle liegt als Pulverkohle vor. Es erweist sich als zweckmäßig, die Aktivkohle als 5%-Suspension zu dosieren. Dazu wird mittels einer Dosierpumpe diese Pulveraktivkohlesuspension mengenproportional dem Umwälzkreislauf nach der Flockungsmittelzugabe zudosiert. Es ist günstig, eine Menge zwischen 2 und 5 g/m³ Umwälzleistung ins aufzubereitende Wasser zuzudosieren. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Pulveraktivkohle wasserdampfaktiviert ist, eine Jodzahl von mindestens 900 mg Jod/g bis 1400 mg Jod/g aufweist, eine definierte Porengrößenverteilung von 0,30-0,50 ml/g Mikroporen, 0,25-0,45 ml/g Mesoporen besitzt und eine Korngrößenverteilung zwischen 4 und 100 µm aufweist. Auch hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Pulveraktivkohle eine Schüttdichte von 300-500 g/l aufweist. Die Pulveraktivkohle wird kontinuierlich bis tief in das Sandfilter eingeschwemmt. Dabei lagert sich bis zur Rückspülung des Filters immer mehr sich verbrauchende Pulveraktivkohle ein. Der positive Effekt bei dieser Betriebsart ist die permanente Zugabe von frischer, unbeladener Pulveraktivkohle. Die Adsorbtions- und Reduktionsleistung ist also immer gewährleistet, selbst bei sehr hoher Belastung.

Die Aktivkohle liegt als Korn oder als Granulat, Extrudat oder Pressling aus der pulverigen Aktivkohle vor. Vorteilhaft ist es, wenn die Aktivkohle wasserdampfaktiviert ist, eine Jodzahl von mindestens 900 mg Jod/g bis 1400 mg Jod/g aufweist, eine definierte Porengrößenverteilung von 0,30-0,50 ml/g Mikroporen, 0,25-0,45 ml/g Mesoporen besitzt und eine Korngrößenverteilung zwischen 4 und 100 µm aufweist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Aktivkohle eine Schüttdichte von 300-500 g/l aufweist. Die Aktivkohle wird vom aufzubereitenden Wasser vor der Filtrationsstufe durchströmt. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Aktivkohle sich in einem separaten Gehäuse befindet. Die Durchströmung erfolgt solange, bis die Aktivkohle beladen bzw. verbraucht ist. Dann erfolgt ein Auswechseln der verbrauchten Aktivkohle gegen frische Aktivkohle.

Claims (3)

1. Verwendung von Aktivkohle als Pulver, Granulat, Pressling oder Extrudat zur Adsorbtion von Trihalogenmethanen (Haloformen) und adsorbierbaren organischen Halogenverbindungen (AOX) sowie zur Reduktion von Chloraminen bei der Wasseraufbereitung, insbesondere von Schwimm- und Badebeckenwasser, wobei die Aktivkohle

• - eine Jodzahl von mindestens 900 mg Jod/g bis 1400 mg Jod/g aufweist,
• - eine Porengrößenverteilung von 0,30 bis 0,50 ml/g Mikroporen und 0,25 bis 0,45 ml/g Mesoporen besitzt und
• - eine Korngrößenverteilung zwischen 4 und 100 µm innerhalb der nach der folgenden Verteilungskurve definierten oberen und unteren Verteilungsgrenze aufweist.

2. Verwendung von Aktivkohle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohle eine Schüttdichte von 300 bis 500 g/l aufweist.

3. Verwendung von Aktivkohle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohle einen Wassergehalt von 1 bis 50 Gewichtsprozenten aufweist.