DE69225889T2

DE69225889T2 - Verfahren zur reinigung von kontaminierten wasser

Info

Publication number: DE69225889T2
Application number: DE69225889T
Authority: DE
Inventors: Robert Winston Guelph Ontario N1G 1Y9 Gillham
Original assignee: University of Waterloo
Current assignee: University of Waterloo
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2012-04-25
Also published as: GB9109071D0; WO1992019556A1; DK0582600T3; AU1982892A; JPH06506631A; EP0582600B1; AU659169B2; GB2255087B; CA2108982A1; DE69225889D1; CA2108982C; GB2255087A; JP3329456B2; US5534154A; EP0582600A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Reinigung von kontaminiertem Wasser.
Im engeren Sinne betrifft die Erfindung die Reinigung von Grundwasser in natürlichen Grundwasserleitern, sowie die Reinigung von Industrieabwässern.
In ihrer Wirkungsweise beschränkt sich die Erfindung nicht nur auf bestimmte Kontaminanten. Unter anderem zielt die Erfindung besonders ab auf krebserregende oder anderweitig gesundheitsgefährdende Kontaminanten, die selbst in Spurenkonzentrationen ein Risiko darstellen und chemisch nur schwer abzubauen sind. Ein typisches Beispiel dieser Art von Kontamination sind halogenierte, organische Kohlenwasserstoffe wie z. B. Chloroform, Lösungsmittel und Verdünner wie Tetrachlorkohlenstoff und Mittel zur Schädlingsbekämpfung wie DDT.

DER DERZEITIGE STAND DER TECHNIK

Eine herkömmliche und allgemein bekannte Methode zur Entfernung von Kontaminanten aus dem Wasser besteht darin, das verunreinigte Wasser durch einen mit Aktivkohle gefüllten Behälter zu leiten. Aktivkohle hat stark adsorbierende Eigenschaften, so daß die im Wasser gelösten Kontaminanten durch Adsorption an der Aktivkohle aus dem Wasser entfernt und so zurückgehalten werden.
Im Laufe der Zeit nimmt die Beladung der Aktivkohle mit dem Kontaminanten zu. Eine Möglichkeit im Umgang mit beladener Aktivkohle besteht darin, diese von Zeit zu Zeit zu erneuern und die beladene Aktivkohle als Sonderabfall zu entsorgen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Aktivkohle rückzuspülen oder anderweitig zu behandeln (z. B. Erhitzen), um die angesammelte Kontamination zu entfernen. Nach einer solchen Behandlung kann die Aktivkohle dann aufs Neue verwendet werden.
Dadurch bleibt aber einer der Nachteile der herkömmlichen Dekontaminationspraxis unter Verwendung Aktivkohle bestehen, der Kontaminant als solcher bleibt bestehen. In der konventionellen Wasseraufbereitung dient die Aktivkohle lediglich zur Entfernung des Kontaminanten aus dem Wasser. Die durch Rückspülen der Aktivkohle frei gewordenen Substanzen sind nach wie vor gefährlich, tatsächlich in der nun konzentrierten Form sogar von noch höherer Gefahr. Dieses hochkontaminierte Konzentrat muß schließlich in einer weiteren Aufbereitungsanlage abgebaut, oder als Sondermüll entsorgt werden.
Ziel der Erfindung ist ein Dekontaminationssystem, bei welchem die Kontaminanten wie z. B. halogenierte Kohlenwasserstoffe in harmlose, oder zum mindesten weniger gefährliche chemische Substanzen zerlegt werden.
Weiterhin ist es Stand der Technik, halogenierte Kohlenwasserstoffe mittels eines porösen, wasserdurchlässigen, aus zwei Metallen bestehenden Körpers aus dem Wasser zu entfernen. Es wurde festgestellt, daß halogenierte Kohlenwasserstoffe durch eine Hydrolyse-Reaktion zu Chloriden abgebaut werden, wenn sie ausreichend lange in Kontakt mit den beiden Metallen sind. Diese Substanzen sind im allgemeinen in Spurenkonzentrationen absolut harmlos und werden oft als wasserunlösliche Fest-Stoffe abgeschieden.
Ein erheblicher Nachteil dieses "Metall"-Systems besteht darin, daß lange Behandlungszeiten bzw. beträchtliche Mengen an Metall notwendig sind. Das System kann sich als recht kostspielig erweisen; nicht nur wegen der Beschaffung der Metalle, sondern auch für Maßnahmen zur Sicherstellung einer ausreichenden Verweildauer des Wassers innerhalb des Metallkörpers bzw. zur Einstellung optimaler Bedingungen bezüglich pH-Wert, Temperatur, Redoxmilieu während der gesamten Verweildauer.
Der große Vorteil des "Metall"-Systems besteht im chemischen Abbau der Kontaminanten.
Ziel der Erfindung ist ein Dekontaminations-System, mit dem, wie beim oben angeführten "Metall"-System - die Kontaminanten in relativ harmlose chemische Verbindungen aufgespalten werden. Ein weiteres Ziel ist diese Aufspaltung der Kontaminanten mit wesentlich geringeren Mengen von Metall durchzuführen.

ALLGEMEINE EIGENSCHAFTEN DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von kontaminiertem Wasser, bei dem dieses durch einen durchlässigen Körper von Materialien zur Behandlung der im Wasser gelösten Kontaminanten geleitet wird. Bei den Materialien handelt es sich dabei um adsorbierende Substanzen, die mit Metallgranulat vermischt sind, wobei
die Beschaffenheit des Kontaminanten und des Metalls so sind, daß der Kontaminant durch eine chemische Reaktion in mehrere bestimmte Substanzen aufgespaltet wird, wenn er ausreichend lange mit den Metallpartikeln in Kontakt ist;
die Beschaffenheit der adsorbierenden Materialien so ist, daß der Kontaminant aus der wäßrigen Lösung entfernt und auf den Partikeln des adsorbierenden Materials sorbiert wird, wenn das verunreinigte Wasser durch und über die durchlässige Mischung geleitet wird;
die adsorbierenden Fähigkeiten der Materialien es ermöglichen, die Fließgeschwindigkeit des sich fortbewegenden Kontaminanten im Vergleich zur eigentlichen Wasserströmung wesentlich zu verlangsamen;
und wobei der durch die adsorbierenden Materialpartikel zurückgehaltene Kontaminant eine bedeutend längere Verweildauer im Wirkungsbereich der Metallpartikel aufweist als das Wasser selbst. Diese längere Verweildauer erlaubt den chemischen Abbau des Kontaminanten.
Es ist weiterhin bekannt, daß die ausgeübte Funktion der adsorbierenden Materialien, wenn mit Metall vermischt, sich wesentlich von deren konventioneller Rolle als bloße Adsorber des Kontaminanten unterscheidet. Vielmehr wirken die adsorbierenden Materialien verzögernd, wobei die Fließgeschwindigkeit des Kontaminanten verlangsamt wird und der Kontaminant dadurch für sehr lange in Kontakt mit dem Metall gehalten wird. Der Zweck liegt in der Erhöhung der Kontaktdauer des Kontaminanten mit dem Metall, so als ob ein sehr viel größerer Körper aus Metall verwendet worden wäre.
Das Wasser strömt dabei entsprechend der Durchlässigkeit des Körpers und der vorgegebenen Potentialdifferenz sehr viel schneller durch den Körper.
Wenn der Körper keine adsorbierenden Materialien enthalten würde, wie es beim herkömmlichen "Metall"-System der Fall ist, würde der Kontaminant kaum verzögert und würde praktisch in der gleichen Zeit wie das Wasser durch den Körper fließen. (Es kann hier erwähnt werden, daß viele im Wasser gelöste Kontaminanten und auch andere Substanzen in natürlichen Grundwasserleitern in gewissem Grade auf natürliche Weise im Vergleich zur Fließgeschwindigkeit des Wassers etwas verlangsamt werden. Allerdings ist diese natürliche Verlangsamung, die durchaus beträchtlich sein kann, im Vergleich mit der erfindungsgemäßen, durch Aktivkohle oder anderen adsorbierenden Materialien möglichen Retardation von geringer Bedeutung.)
In den herkömmlichen Systemen wurden bekanntlicherweise die Metalle mit Sand oder anderem nicht reaktivem Füllmaterial vermischt, um das Volumen der Anlage für den Wasserdurchfluß zu vergrößern. Diese Maßnahmen hatten einen gewissen Effekt hinsichtlich der Erhöhung der Verweildauer. Allerdings war diese Erhöhung der Verweildauer mehr oder weniger proportional zur Vergrößerung des Volumens der Anlage. Demgegenüber kann bei der vorliegenden Erfindung, bei der die Metalle mit adsorbierenden Materialien wie Aktivkohle gemischt werden, die Verweildauer um eine Größenordnung oder mehr verlängert werden, was einem Vielfachen dessen entspricht, was durch eine Vergrößerung des Volumens der Anlage erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß fungiert das adsorbierende Material nicht nur als Adsorbens, da der Kontaminant abgebaut wird und auch nicht als bloßes Füllmaterial. Tatsächlich ergänzen sich die adsorbierenden Materialien mit den eingemischten Metallen, in dem die Moleküle des Kontaminanten für eine ausreichend lange Zeit mit dem Metall in Kontakt gehalten werden, wodurch die Effektivität des Metalls zum Abbau des Kontaminanten erhöht wird. Die adsorbierenden Materialien verzögern nicht den Durchfluß des Wassers sondern sie verlangsamen die Fortbewegung der Schadstoffmoleküle, so daß diese für eine beträchtliche Zeit mit dem Metall in Kontakt bleiben.
Die Wirksamkeit einer Mischung von adsorbierendem Material und Metall ist, was die für eine Reinigung des Wassers notwendigen Menge an Metall und die Geschwindigkeit des Abbaus anbetrifft, weitaus größer als die des Metalls alleine.
Für einen effektiven chemischen Abbau des Kontaminanten müssen die Reduktion- /Oxidationsbedingungen des Metalls kontrolliert werden. Bei Messung mit einer Eh-Sonde muß das Redoxpotential unter -200 Millivolt, vorzugsweise sogar unter -600 Millivolt liegen, um einen Abbau zu gewährleisten. Darum muß die Mischung und das durchströmende Wasser in absolut anaerobem Zustand gehalten werden. Jeder im Wasser oder in der Mischung verfügbare Sauerstoff beeinträchtigt den Abbauprozess, da dieser Sauerstoff zunächst aufgebraucht werden muß, um ein negatives Redoxpotential zu erreichen damit der Abbau des Kontaminanten beginnt.

DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGSGEMÄSSEN ANWENDUNG

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ein Anwendungsbeispiel beschrieben, wobei
Fig. 1 den Querschnitt eines Grundwasserleiters zeigt, in dem Grundwasser erfindungsgemäß aufbereitet wird;
Fig. 2 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Behandlungsanlage zeigt;
Fig. 3A und 3B sowie Fig. 4 Kurven darstellen, die den Abbau eines typischen Kontaminanten bei der Durchströmung einer Mischung aus Aktivkohle und Metall zeigen.
Anlage und Verfahren in den beiliegenden Zeichnungen und nachfolgender Beschreibung stellen erfindungsgemäße Beispiele dar. Dabei ist zu erwähnen, daß der Umfang der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche definiert wird und nicht notwendigerweise durch die Besonderheiten der erfindungsgemäßen Beispiele.
Der Grundwasserleiter in Fig. 1 ist bis zum Niveau 3 des Wasserspiegels wassergesättigt. Das Grundwasser strömt mit der Geschwindigkeit VW durch den Grundwasserleiter. Die Kontaminationsfahne 4 bewegt sich entsprechend der Strömung des Wassers. Dabei bleibt die Strömungsgeschwindigkeit des Kontaminanten naturgemäß hinter der des Grundwassers leicht zurück, das heißt der Kontaminant in der Fahne bewegt sich im Grundwasserleiter mit der geringeren Geschwindigkeit VP.
Beim Kontaminant handelt es sich um einen organischen halogenierten Kohlenwasserstoff, wie z. B. Tetrachlorkohlenstoff. Der Kontaminant mag von einer bekannten Quelle stammen, welche die dafür Verantwortlichen zu beseitigen haben, oder kann von unbekannter Herkunft sein, wurde aber z. B. als sich auf einen Brunnen zubewegend erkannt.
Ein Graben 5 wird im Grundwasserleiter 2 im Bereich der Kontaminationsfahne 4 ausgehoben. In den Graben 5 wird eine wasserdurchlässige Mischung 6 bestehend aus Aktivkohle und Eisenspänen und Sand/Kies eingefüllt. Die Durchlässigkeit der Mischung ist so gewählt, daß die Strömung des Grundwassers nicht beeinträchtigt wird, vorzugsweise sollte die Durchlässigkeit der Mischung 6 nicht kleiner als die des Grundwasserleiters sein.
Der Graben 5 und die darin eingefüllte Mischung 6 müssen die erforderliche Breite aufweisen, um den gesamten kontaminierten Grundwasserabstrom zu erfassen. Höhenmäßig sollte der Graben und die Füllung mit der Mischung so gestaltet sein, daß die Fahne in ihrer gesamten Höhe abgefangen wird. Die Mischung muß den oberen, über dem Wasserspiegel 3 liegenden Teil des Grabens 5 nicht ausfüllen; dieser Bereich kann mit Sand oder einem anderen Material aufgefüllt werden.
Fig. 2 zeigt eine weitere Methode zur Behandlung von kontaminiertem Wasser.
Im System der Fig. 2 wird das kontaminierte Wasser über Zufluß- und Abflußrohre 7, 8 durch den Behälter 9 geleitet, dieser enthält eine Mischung 10 bestehend aus Aktivkohle und Eisenspänen. Behälter 9 kann als Tank in den Untergrund eingebaut oder freistehend installiert werden. Wenn eine natürliche Zirkulation nicht gegeben sein sollte, kann das Wasser mittels Pumpe (nicht dargestellt) durch das System gefördert werden. In Fig. 2 kann das kontaminierte Wasser z. B. den verunreinigten Abfluß einer Industrieanlage darstellen, oder zur Oberfläche gebrachtes Grundwasser, oder auch Quellwasser usw.
Wie bekannt, bewirkt das Metall, ob Eisen oder ein anderes Metall, in der Mischung den chemischen Abbau der halogenierten Kohlenwasserstoffkontaminanten, die unter den erwähnten Voraussetzungen bezüglich pH-Wert, Temperatur, Mineralisation usw. für eine ausreichend lange Zeit mit dem Metall in Kontakt sind. Eine der wichtigsten Bedingungen ist die Abwesenheit von Sauerstoff und Sauerstofflieferanten in der Mischung und dem Wasser, was nun näher erläutert wird.
Bei der Methode gemäß Fig. 1 befinden sich die Mischung und das Wasser unterhalb des Wasserspiegels 3. Es kann daher erwartet werden, daß die natürlichen Verhältnisse im wesentlichen anaerob (sauerstofffrei) sind und keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden müssen. Durch das vorhandene Metall sollte deshalb das Redoxpotential des in die Mischung einströmenden Wassers innerhalb kurzer Zeit soweit abgesenkt sein, daß der Abbau des Kontaminanten des Sickergrabens schnell beginnt.
Bei natürlichem Grundwasser sind die Möglichkeiten zur Änderung von pH, Temperatur, der Anwesenheit von gelösten oder partikulär transportierten Substanzen usw. begrenzt, so daß das System entsprechend Fig. 1 nur dann eingesetzt werden soll, wenn die erforderlichen Voraussetzungen natürlicherweise gegeben sind, was allerdings überwiegend auch der Fall ist.
Die Methode gemäß Fig. 2 hat eine größere Vielseitigkeit, ist aber weniger wirtschaftlich. Der Behälter 9 sollte luftdicht und frei von Sauerstoff oder oxidierenden Substanzen sein. Der Bedingungen im Behälter können überwacht werden. Maßnahmen zur Steuerung von Temperatur, pH-Wert usw. können soweit erforderlich ergriffen werden. In der Praxis bekannte Geräte und Verfahren für diese Art von Kontrolle und Eingriff sind handelsüblich und brauchen nicht weiter erläutert zu werden.
In den herkömmlichen Systemen, bei denen Wasser durch Aktivkohle geleitet wird, beträgt die Verweildauer des Wassers in der Aktivkohle typischerweise nur wenige Minuten. Je größer der Aktivkohlebehälter und je länger die Verweildauer des Wassers, um so mehr Moleküle des Kontaminanten werden dem Wasser entzogen, wobei jedoch in den herkömmlichen Systemen der Kontaminant auf der Aktivkohle weiterhin existiert. Dabei nimmt die an der Aktivkohle sorbierte Masse des Kontaminanten so lange zu, bis diese vollständig beladen ist und eine weitere Adsorption nicht mehr stattfindet.
Bei den bekannten Systemen wird die Durchflußrate des Wassers, die im einem Aktivkohlebehälter behandelt werden kann, von der Rate mit der der Kontaminant auf der Aktivkohle sorbiert wird bestimmt. Dagegen kann bei der vorliegenden Erfindung in der Praxis die Abbaurate des Kontaminanten sogar höher sein als die Sorptionsrate von herkömmli chen Systemen.
Weiterhin ist festzuhalten, daß alle Moleküle des im Wasser gelösten Kontaminanten auf der Aktivkohle sorbiert dauerhaft gebunden sind und nicht wieder an das Wasser abgegeben werden. Aufgrund des Kontaktes mit dem Eisen findet schließlich der Abbau statt. Damit werden dem Wasser bei einer ausreichend langen Kontaktzeit mit der Aktivkohle alle Moleküle des Kontaminanten entzogen und somit ein vollständiger Abbau des Kontaminanten erreicht.
Eisen ist das Metall das vorzugsweise in der Mischung verwendet wird, da es in granulierter Form kostengünstig als Abfallprodukt zahlreicher Produktionsverfahren zur Verfügung steht.
Die Korngröße des Metalls sollte möglichst klein sein, um für die Reaktion eine maximale Oberfläche bereitzustellen. Andererseits sollte es nicht staubfein sein, womit seine Handhabung erheblich eingeschränkt würde.
Das Metall braucht nicht in elementarem Zustand vorzuliegen, d. h. anstatt reinen Eisens kann Stahl oder Gußeisen-Granulat zur Anwendung kommen. Das Metall in der Erfindung sollte eine nicht zu geringe elektrochemische Aktivität aufweisen - Silber oder Gold, z. B., wären ungeeignet. Metalle wie Zink, Eisen, Aluminium sind dagegen geeignet zum Gebrauch auf Grund ihrer elektrochemischen Aktivität. Aus Gründen der praktischen Verfügbarkeit wird - wie erwähnt - Eisen in der Regel der Vorzug gegeben.
Oxidschichten auf der Oberfläche des Metalls sind grundsätzlich von Nachteil. Eine Vorbehandlung, z. B. eine Säurewäsche, ist allgemein empfehlenswert, um das Oxid wenigstens teilweise zu eliminieren und eine blanke Metalloberfläche zu bekommen.
Es wurde festgestellt, daß manchmal die Reaktionsgeschwindigkeit eines bestimmten Metalls durch die Anwesenheit anderer elektrochemisch aktiver Metalle beeinflußt werden kann. Wenn z. B. das Granulat von galvanisierten Eisen stammt, ist im Vergleich zu Eisen die Abbaurate durch das enthaltene Zink leicht verlangsamt. Außerdem hat es sich herausgestellt, daß Granulat von rostfreiem Stahl weniger wirkungsvoll ist als das Granulat von gewöhnlichen, kohlenstoffhaltigen Stahl.
In einigen Fällen wurde berichtet, daß bestimmte Kombinationen von Metallen - vermischt oder legiert - eine höhere Effizienz beim Abbau von Kontaminanten wie zum Beispiel halogenierten Kohlenwasserstoffen haben als ein einzelnes Metall. Es muß deshalb betont werden, daß eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung bei der gleichzeitigen Anwendung von zwei verschiedenen Metallen vorliegt.
Fig. 3A zeigt die unter bestimmten Bedingungen allmählich abfallende Konzentration eines Kontaminanten. In diesem Modell-System wurde Wasser mit einem Gehalt von 1400 Mikrogramm Trichlorethylen (TCE) pro Liter durch eine 0,6 m lange Säule geleitet.
Der Füllung der Säule bestand aus einer Mischung von 10 Gewichts-% Eisenspänen, 0,5 Gew.-% Aktivkohle und Quarzkies als Restmaterial.
Unter den gewählten Bedingungen floß das Wasser mit einer Geschwindigkeit von 318 cm/Tag bzw. 13 cm pro Stunde.
Das Wasser hatte, wie erwähnt, am Säuleneinlauf eine TCE-Konzentration von 1400 Mikrogramm/Liter (ppb). Die Kennlinie 25 zeigt das TCE-Konzentrationsprofil in der Säule nachdem ein stationärer Zustand erreicht wurde. Die Stützpunkte der Kennlinie stellen Meßwerte der TCE-Konzentration an bestimmten Stellen entlang der Säule dar. Es ist ersichtlich, daß das Wasser bei der 40 cm-Marke praktisch frei von allen erkennbaren TCE-Spuren ist. Die in Trinkwasser maximal zulässige TCE-Konzentration beträgt in manchen Staaten 30 ppb. Diese Bedingung war bereits bei der 15 cm-Marke erreicht.
Im Vergleich dazu, zeigt die Kennlinie 26 den Effekt, wenn kein Metall verwendet wird, das heißt das TCE wird lediglich von der Aktivkohle aus dem Wasser entfernt. Zu Beginn wurde der Kontaminant, wenngleich etwas langsamer, aber dennoch vergleichbar mit der in Kennlinie 25 dargestellten Rate aus dem Wasser entfernt.
Mit zunehmender Anreicherung der Aktivkohle mit dem Kontaminanten, nahm die Rate mit der das TCE aus dem Wasser entfernt wurde kontinuierlich ab. Nach vollständiger Bela dung der Aktivkohle wurde schließlich kein weiterer Kontaminant mehr dem Wasser entnommen. Der Endzustand von Kennlinie 26 wäre also Kennlinie 26F.
Dazu ist festzuhalten, daß die Kennlinie 26 - anders als Kennlinie 25 - lediglich die Abnahme des Kontaminanten im Wasser anzeigt: tatsächlich bleibt der Kontaminant auf der Aktivkohle weiterhin bestehen, so daß diese zunehmend beladen wird. Für den Fall, daß der Kontaminant lediglich auf der Aktivkohle adsorbiert wird, schreitet die Kontaminationsfront allmählich in der Säule voran und erreicht schließlich das Säulenende, d. h. es findet keine weitere Sorption mehr statt. Wird der Kontaminant aber chemisch abgebaut, stellt sich ein Gleichgewicht bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit der Mischung ein.
Tests mit anderen Kontaminanten zeigen ein ähnliches Verhalten. Im Modell-System von Fig. 3B wurde Wasser mit einem Tetrachlorkohlenstoff-Gehalt (CTC) von 1400 ppb durch das durchlässige reaktive Material geleitet. Dieses bestand wiederum aus 10 Gew.-% Eisenspänen, 0,5 Gew.-% Aktivkohle und Quarzsand als Füllmaterial. Unter den gegebenen Bedingungen floß Wasser mit einer Geschwindigkeit von 316 cm/Tag bzw. 13 cm/Std.
Das Wasser hatte im Säulenzulauf eine CTC-Konzentration von 1400 ppb. Kennlinie 27 (Fig. 3b) zeigt die CTC-Konzentration, die, wie zu erkennen ist, sehr schnell of null zurückgeht. Die Kontamination war zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht eliminiert, vielmehr war aus CTC Chloroform entstanden. Die Kennlinie 28 zeigt die Chloroform-Konzentration und belegt, daß nachdem das kontaminierte Wasser etwa 2 cm tief in die Mischung eingedrungen war, die Chloroformkonzentration mit 700 ppb den Maximalwert erreicht hatte, während die CTC-Konzentration auf Null zurückging. Im weiteren Verlauf wurde das Chloroform allmählich abgebaut und nachdem das Wasser die 30 cm-Marke erreicht hatte, konnte im Wasser kein Chloroform mehr nachgewiesen werden. Die Kennlinien 27 und 28 repräsentieren Gleichgewichtszustände bei denen die Abbauraten der Mischung für eine lange Zeit unverändert blieb.
Die Kennlinien 25 und 27, 28 zeigen den chemischen Abbau des Kontaminanten bis er praktisch vollständig verschwunden ist. Es sei erwähnt, daß diese Kennlinien stationäre Verhältnisse darstellen; der Säulenzulauf war über die gesamte Versuchsdauer mit 1400 ppb kontaminiert, d. h. der Kontaminant wurde nicht nur kurzzeitig als einmaliger Impuls zugegeben.
In Fig. 4 sind die Auswirkungen eines zunehmend höheren Aktivkohleanteils in der Mischung dargestellt. Kennlinie 35 zeigt die Abbaurate für TCE wenn keine Aktivkohle, d. h. ausschließlich Metall, in diesem Fall Eisenspäne, in der Mischung vorhanden ist. In diesem Fall wird der Kontaminant nicht signifikant zurückgehalten, sondern fließt mit der Geschwindigkeit des Wassers durch das Metall. Mit der Zugabe von Aktivkohle bzw. einer zunehmenden Erhöhung ihres Mischungsanteils wird die Verlangsamung deutlich. Die Kennlinie in Fig. 4 schiebt sich entsprechend nach links. Kennlinie 36 repräsentiert somit diejenige Abbaurate für TCE, bei der der Kontaminant mit der halben Geschwindigkeit des Wassers strömt. Die Kennlinien 37-39 zeigen die Verhältnisse für einen zunehmend höheren Aktivkohleanteil in der Mischung. Die zum Erreichen eines erwünschten Grades an Verlangsamung notwendigen Mengenverhältnisse schwanken entsprechend den jeweils gegebenen Bedingungen - doch hat sich das oben erwähnte Mischungsverhältnis von 10 Gew.-% Eisen, 0,5 Gew.-% Aktivkohle als wirkungsvoll erwiesen. Der Grad der Verlangsamung bei Kennlinie 39 kann - je nach Gegebenheiten - mit einer Mischung von gleichen Mengen Aktivkohle und Eisenspänen erzielt werden.
Eine obere Grenze des relativen Anteils von Aktivkohle kann unter gewissen Umständen sinnvoll sein. Wenn zu viel Aktivkohle beigemengt wird, könnten die dem Wasser entzogenen Moleküle so stark von der Aktivkohle sorbiert werden, daß sie vom chemischen Abbau durch die Eisenspäne verschont bleiben. Die Menge und die räumliche Verteilung des Eisengranulats relativ zur Verteilung der Aktivkohlekörner ist von Bedeutung: es muß genügend Eisengranulat vorhanden sein, damit die einzelnen Partikel nahe genug beieinander liegen und das Redoxpotential in ausreichendem Maße abgesenkt wird und der chemische Abbauprozess innerhalb der Aktivkohle in ausreichendem Maß erfolgt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Mischung auch Quarzsand als nicht reaktives Füllmaterial enthält. Abgesehen von der dadurch erreichten Volumenerhöhung verhindert der Sand das Verklumpen bzw. das Verfestigen, was insbesondere beim Metall über lange Zeiträume auftreten und zu lokalen Inhomogenitäten der Durchlässigkeit der Mischung führen kann.
Die Kennlinien des chemischen Abbaus eines Kontaminanten würden in Fig. 4 in solchen Fällen, in denen die Art des Kontaminanten, die gegebenen Temperatur- oder pH- Bedingungen, usw. einen langsameren spezifischen Abbau erwarten lassen, nach rechts verschoben werden. Das Massenverhältnis von Aktivkohle und Eisenspänen sowie die notwendige Masse an Füllmaterial müssen deshalb den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Dies erfolgt durch entsprechende Vorversuche.
Wie bereits erwähnt, wir sich der Kontaminant erfindungsgemäß bei fortschreitender Adsorption nicht auf der Aktivkohle akkumulieren. Da der Kontaminant nicht auf der Aktivkohle sorbiert bleibt, kann letztere auf fast unbeschränkte Zeit arbeitsfähig bleiben. Das Metall wird allerdings mit der Zeit durch den Abbau des Kontaminanten aufgebraucht und muß erneuert werden.
Es ist möglich, neues Metall in den Behälter unter Fig. 2 einzugeben. Dagegen wird es kaum möglich sein Eisen in eine bestehende Grabenfüllung, Fig. 1, hinzuzufügen. Im Rahmen der Spezifizierung einer Grabenfüllung, sollte eine zusätzliche Masse an Metall berücksichtigt werden. Andererseits verursacht das Ausheben eines neuen Grabens keine allzu großen Ausgaben. Daraus folgt, daß die spätere Herstellung eines neuen Grabens in vielen Fällen kein besonderes Problem darstellt, falls der erste sich als nicht mehr ausreichend erweisen sollte.
Ein Nachteil des "Metall"-Systems, der auch die vorliegende Erfindung betrifft, besteht darin, daß obwohl die halogenierten Kohlenwasserstoffe zerstört werden, das Wasser manchmal gelöste Metalle enthält. Dies ist dann von Bedeutung falls das Wasser bald nach der Behandlung der Trinkwasserversorgung zugeführt werden soll. Sofern sich das behandelte Wasser aber über eine lange Zeit langsam durch einen Grundwasserleiter bewegen kann, dürfte diese Problem nur von geringer Bedeutung sein.
Erfindungsgemäß liegt das Metall vorzugsweise als Granulat vor. Erfindungsgemäß besteht das Sorptionsmaterial aus Aktivkohle und das Metall aus Eisen oder Stahl, in Form von Spänen, mit einem Massenverhältnis in der Mischung von 1 Teil Aktivkohle und 20 Teilen Metall. Volumenmäßig sind dann in etwa gleiche Anteile von Aktivkohle und Metall in den Quarzsand eingelagert.

Claims

ANSPRUCH 1. Verfahren zur Aufbereitung von kontaminierten Wasser, in dem dieses in Lösung durch einen Körper von wasserdurchlässigen Stoffen - bestehend aus adsorptiven Materialien mit untermischten Metallpartikeln - geleitet wird, wobei:

die Art der Kontamination und des Metalls mittels chemischer Reaktion zur Zerlegung in chemisch klar unterscheidbare, verschiedenartige Grundstoffe führt sobald das kontaminierte Wasser in anhaltende Berührung mit den Metallpartikeln tritt;

die reaktive Eigenart des adsorptiven Materials es erlaubt daß der Kontaminant beim Strömen des kontaminierten Wassers sowohl durch wie über die durchlässige Mischung von der Lösung ausgesondert und auf die Metallpartikel übertragen wird;

die Reaktionsfähigkeit des adsorptiven Materials es weiterhin erlaubt; die Strömungsschnelligkeit der Kontaminanten beim Durchfluß erheblich zu verlangsamen, wogegen die Strömungsschnelligkeit des Wassers an sich bedeutend höher liegt;

wobei das Kontaminant durch die Partikel der adsorptiven Stoffe verlangsamt und von den beigemischten Metallpartikeln auf ausreichende Zeit angezogen wird um zur chemischen Zerlegung zu führen.

ANSPRUCH 2: Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erwähnte Metall ausschließlich aus einem einzelnen Element besteht.

ANSPRUCH 3: Verfahren nach Anspruch 2, wobei vorzugsweise Eisen als Metall verwendet wird.

ANSPRUCH 4: Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall vorzugsweise von körniger Beschaffenheit ist.

ANSPRUCH 5: Verfahren nach Anspruch 1, einschließlich des Arbeitsschritts der Entsorgung und Einbau der Mischung, um alle oxidierenden Mittel und Stoffe, einschließlich atmosphärischen Sauerstoffs von Berührung mit der Mischung fernzuhalten.

ANSPRUCH 6: Verfahren nach Anspruch 1, wobei das adsorptive Material vorzugsweise aus Aktivkohle besteht.

ANSPRUCH 7: Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich beim kontaminierten Wasser um das Grundwasser einer wassertragenden Schicht handelt.

ANSPRUCH 8: Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

das kontaminierte Wasser sich innerhalb einer natürlichen Wasserschicht bewegt;

das Verfahren den Einbau des erwähnten Körpers von durchlässigen Aufbereitungsstoffen in den Untergrund umfaßt - quer zur Stromrichtung des kontaminierten Grundwassers - und damit dessen Durchfluß veranlaßt.

ANSPRUCH 9: Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

das Wasser als Grundwasser sich innerhalb seiner natürlichen Wasserschicht befindet und das Kontaminant sich in einer Fahne innerhalb der Wasserschicht bewegt;

das Verfahren das Ausheben eines Sickergrabens quer zur Flußrichtung der in Bewegung geratenen Fahne vorsieht - und damit das Wasser zum Durchfluß kommt;

die Einlagerung der Mischung in den Sickergraben auf solche Art und Weise geschieht, um die Fahne des kontaminierten Wassers durch die Mischung zu lenken.

ANSPRUCH 10: Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mischung auch träges Füllmaterial einschließt.

ANSPRUCH 11: Verfahren nach Anspruch 1, in dem der adsorptive Stoff aus Aktivkohle und das Metall aus Eisen- oder Stahlspänen besteht - gemischt in einem Verhältnis von 10% Spänen und 0,5% Aktivkohle zu der aus Siliziumsand bestehenden Gesamtmasse.

ANSPRUCH 12: Verfahren nach Anspruch 1, wobei der adsorptive Stoff Aktivkohle ist und das Metall aus Eisen- oder Stahlspänen besteht, und zwar im Verhältnis von 1 Teil Aktivkohle auf 20 Teile Metall und gleiche Teile von Aktivkohle und Metall in Kubikgröße in den Siliziumsand eingemischt werden.

ANSPRUCH 13: Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung der Mischung es ermöglicht, daß die Metallpartikel breitflächig mit dem kontaminierten Wasser in Kontakt treten, indem die Oberflächen frei von Ablagerungen oder Überzügen sind, welche den Ablauf einer chemischen Reaktion beeinträchtigen könnten.

ANSPRUCH 14: Verfahren nach Anspruch 13, indem das Metall blank ist und breitflächig in direkter Feuchtberührung mit dem kontaminierten Wasser steht.

ANSPRUCH 15: Verfahren nach Anspruch 1, wobei die chemisch unterschiedlichen Stoffe, welche sich aus der Zerlegungsreaktion ergeben, prinzipiell schadlos sind.

ANSPRUCH 16: Eine Vorrichtung zur Aufbereitung kontaminierten Wassers und deren Einbau in einen Sickergraben, wobei:

mindestens eine der Kontaminationseinheiten im Wasser durch chemische Reaktion in unterschiedliche Stoffe zerlegungsfähig ist sobald es in anhaltenden Kontakt mit den Metallpartikeln gebracht wird;

die Vorrichtung einen Körper von Metallpartikeln enthält und die Zulenkung kontaminierten Wassers auf und durch besagten Körper ermöglicht.

die Vorrichtung eine entsprechende Fähigkeit zur Aussonderung oxidierender Substanzen und Stoffe hat, einschließlich atmosphärischen Sauerstoffs, und damit solche vom Metallpartikel-Körper zurückhält und diese Stoffe wirkungskräftig auschließt;

die Vorrichtung einen Körper von adsorptiven Material einschließt, welches mindestens einen der verschiedenen Kontaminanten adsorptieren kann.

der Körper von Metallpartikeln und adsorptiven Stoffen zu einem Grad untermischt ist, welcher Durchlaß und Porosität für Wasserfluß gewährt wenn Notwendigkeit zur Wasseraufbereitung angezeigt ist;

die Mischung innerhalb eines fließenden Stroms von kontaminantenbehafteten Wasser angelegt wird;

die adsorptive Fähigkeit der in dem Körper enthaltenen Stoffe und ihre entsprechende Verteilung es ermöglicht, einen verlangsamten Bewegungsfluß der Kontaminanten durch die Anlage beim Wasserdurchlauf zu erreichen;

wobei das Kontaminant, aufgehalten durch das adsorptive Material, physich von den Metallpartikeln angezogen wird und damit chemischer Zerlegung ausgesetzt ist.

ANSPRUCH 17: Verfahren nach Anspruch 16, welches gleichfalls einen Körper von trägen Füllmaterials einschließt das der Mischung beigegeben wird.

ANSPRUCH 18: Verfahren nach Anspruch 16, wobei das kontaminierte Wasser als in einer Wasserschicht strömendes Grundwasser begriffen wird;

das Verfahren zur Strömungsverlagerung des Grundwassers durch die Mischung auf einen ausgehobenen Sickergraben beruht, welcher die Längsrichtung des kontaminierten Wassers kreuzt, mit entsprechender Einlagerung der Mischung in den Sickergraben;

das Verfahren zum Ausschluß von oxidierenden Stoffen und Substanzen ermöglicht wird durch Einlagerung der Mischung unterhalb des Wasserpegels in der Wasserschicht, wodurch die Mischung mit Grundwasser gesättigt wird.