DE20109443U1 - Vorrichtung zur Dekontamination von Wässern, die Spuren von Arsen, Mangan und Eisen beinhalten - Google Patents
Vorrichtung zur Dekontamination von Wässern, die Spuren von Arsen, Mangan und Eisen beinhaltenInfo
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Description
Vorrichtung zur Dekontamination von Wässern, die
Spuren von Arsen, Mangan und Eisen beinhalten
Spuren von Arsen, Mangan und Eisen beinhalten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dekontamination von Wässern, insbesondere von Trink- und/oder Grundwässern, die Spuren von Arsen (As) Mangan (Mn) und Eisen (Fe) beinhalten, wobei diese Metalle mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Kombination eines Bioadsorbers zur Eisen- und Manganentfernung und eines anorganischen Adsorbers zur selektiven As-Entfernung unter die gesetzlichen Grenzwerte gebracht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens zwei Chromatographiesäulen, durch welche das zu dekontaminierende Wasser geleitet wird, wobei eine Säule den Bioadsorber beinhaltet und die andere Säule den anorganischen Adsorber beinhaltet.
Die weltweiten Ressourcen an hochwertigem Trinkwasser werden zusehends knapper. Deswegen ist man in vielen Ländern bereits heute gezwungen, auf Grundwässer zurückzugreifen, die Spurenelemente an Schwermetallen und/oder Halbmetallen bzw. organischen Verunreinigungen enthalten. Zum einen sind solche Kontaminationen geogen bedingt oder sie stellen Verunreinigungen aus z.B. gewerblichen Abwässern dar, zum anderen sind sie in Spuren in fast allen natürlichen Gewässern anzutreffen.
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Die gesundheitliche Relevanz bestimmter Wasserinhaltsstoffe ist, basierend auf dem heutigen Wissens- und Technikstand, offiziell niedergelegt in den „Guidelines for Drinking Water Quality". Manche Wasserinhaltsstoffe beeinträchtigen lediglich den Geschmack oder Geruch des Trinkwassers, so z.B. Eisen und Mangan, während andere Inhaltsstoffe große gesundheitliche Risiken bergen, wie z.B. Arsen, welches ein erhöhtes Krebsrisiko bewirkt. An Forschung und Technik sind daher neue Anforderungen zu stellen.
In der deutschen Trinkwasserverordnung vom 05.12.1990 sind die an „Wasser für den menschlichen Gebrauch" zu stellenden Anforderungen festgelegt. In den Anlagen 2 und 4 der Trinkwasser-VO sind Grenzwerte für chemische Stoffe sowie sensorische und physikalisch-chemische Kenngrößen und Grenzwerte für die Beurteilung der Beschaffenheit des Trinkwassers aufgeführt, die für Fe bei 2 00 ßg/1, für Mn bei 50 Mg/1 und für As bei 10 ^g/1 liegen.
Aufgabe der Erfindung war es, eine Anlage zur Dekontamination von Wässern zu entwickeln, mit der effektiv, kostengünstig und umweltfreundlich die im Wasser enthaltenen Mengen an Fe, Mn und As mindestens auf die Werte von 200 &mgr;&idiagr;/&idiagr; für Eisen, 50 ^g/1 für Mangan und 10 &mgr;&idiagr;/&idiagr; für Arsen reduziert werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Chromatographiesäulen umfasst, die hintereinander geschaltet sein können, wobei die eine Säule einen Bioadsorber zur Eisen- und Manganentfernung beinhaltet und die zweite Säule einen anorganischen Adsorber zur selektiven As-Entfernung aufweist. Vorzugsweise ist in Säule 1, durch die das Wasser zuerst geleitet wird, der Bioadsorber enthalten und in der nachfolgenden Säule 2 der anorganische Adsorber.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung umfasst die Vorrichtung darüber hinaus eine dritte Säule (3) , die nachgeschaltet ist und Aktivkohle beinhaltet, die zur Entfernung weiterer unerwünschter Geschmacksstoffe und/oder Trübungen hervorrufender Inhaltsstoffe dient. Insbesondere dient die Aktivkohle als „Polizeifilter" und zur Entfernung organischer Verunreinigungen. Im Fall des Einsatzes der dritten Säule besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß Säule 1 von unten nach oben und die zweite und dritte Säule (2, 3) hintereinander von oben nach unten geschaltet sind. Es ist selbstverständlich auch möglich, jede Chromatographiesäule allein, also abgetrennt von den anderen, zu betreiben.
Bioadsorber, hergestellt durch Modifizierung pflanzlicher, nachwachsender Rohstoffe sind zur Schwermetallentfernung an sich bekannt (z.B. WO 98/48933). Sie sind billig, bezüglich der Umweltbilanz CO2- neutral und aus leicht zugänglichen Rohstoffquellen herstellbar. Darüber hinaus kann die
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Bindungskapazität vieler Bioadsorber durch chemische Modifikationen (z.B. Phosphorylierung) erhöht werden. Das Bindungsprinzip beruht dabei sowohl auf Ionenaustauschvorgängen als auch auf Physisorption. Weiterhin ist ein Bioadsorber leicht zu entsorgen. So wird ein nach Durchführung der Dekontamination mit Schwermetallen beladener Bioadsorber entweder für seinen Wiedereinsatz mit bekannten Methoden regeneriert oder einer Entsorgung z.B. durch Verbrennung oder Kompostierung zugeführt, wobei die biologische Abbaubarkeit keine Probleme darstellt.
Ein an sich geeigneter bekannter Bioadsorber (Ionenaustauscher) zur Entfernung von Schwermetallen ist z.B. ein chemisch modifiziertes Holzgranulat (WO 99/2 83 72 A), das aus Spänen der Holzverarbeitung gewonnen wurde, und das einer Modifizierung mit Phosphorsäure bzw. Ammoniumphosphaten und Harnstoff sowie ggf. Schwefel unterzogen wurde. Ein weiterer Bioadsorber ist in DE 42 39 74 9 C2 beschrieben, der ein phosphoryliertes Holz darstellt, wobei es sich um Holzmehl der Körnung 0,05 bis 3 mm handelt, das mit Phosphorsäure bzw. Ammoniumdihydrogenphosphat, Wassser und Harnstoff modifiziert wurde.
Besonders geeignet ist jedoch ein Bioadsorber, der sphärische Kohlenhydratpartikel darstellt. Diese sphärischen Kohlenhydratpartikel werden hergestellt, indem ein faseriges oder pulverförmiges Kohlenhydrat in einer wässrigen Harnstofflösung suspendiert wird, wobei
gegebenenfalls nieder- oder hochmolekulare Füllstoffe der Suspension zugegeben werden. Anschließend wird das Wasser unter Rühren und Temperaturerhöhung auf 100 - 2000C, bevorzugt bei einer Temperatur von 130° - 1600C, ggf. unter Anlegen eines Vakuums, verdampft. Die entstehenden sphärischen Partikel in Perlform sind in wässrigen Lösungen und organischen Lösungsmitteln stabil. Sie werden abgekühlt und nach an sich bekannten Methoden gereinigt, z.B. mit kaltem und/oder heißem Wasser, Basen, Säuren, kaltem Wasser bis zur neutralen Reaktion des Waschwassers. Danach werden sie bei erhöhten Temperaturen im Umluftstrom oder durch Lösungsmittelaustausch mit z.B. Alkohol, Aceton und Trocknen bei Umgebungstemperatur oder nur unwesentlich erhöhter Temperatur bzw. durch Verwendung eines Vakuums getrocknet und letztendlich nach Korngrößen klassiert. Die so hergestellten Materialien sind selektive Adsorbermaterialien für Eisen und Mangan. Für den erfindungsgemäßen Einsatz können sie ggf. auch derivatisiert oder modifiziert werden.
Die Entfernung von As mit anorganischen Adsorbentien ist bekannt, wobei der Einsatz von Chemikalien zur Fällung oder Flockung (Kaliumpermanganat oder Eisen(III)chlorid) aufwendige Technologien erfordert und unter Umständen große Restmengen an schwer zu entsorgendem Sondermüll entstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als anorganischer Adsorber granuliertes Eisen(III)hydroxid (GEH) als Festbettadsorber eingesetzt (z.B. Ferrosorb® Plus). GEH zeichnet sich durch die
selektive Entfernung von Arsenspezies (sowohl von As(III)-als auch von As (V)-Verbindungen) aus und es besitzt ein hohe Beladungskapazität ([mg]-Bereich As/g Trockensubstanz). Als zu entsorgender Sondermüll fällt lediglich der As-beladene anorganische Adsorber an. Da in Trink- und/oder Grundwässern Arsenkonzentrationen im [^g] Bereich vorkommen, die Bindekapazität des Adsorbernmaterials dagegen im [mg]-Bereich As/g Trockensubstanz liegt, lässt sich ein Vielfaches des Bettvolumens an Wassermenge aufarbeiten, bevor sich die Kapazität des GEH-Adsorbers erschöpft.
Die vorliegende erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bevorzugt eine Chromatographiesäule, die sphärische Kohlenhydratpartikel zur Entfernung von Fe und Mn beinhaltet und eine weitere Chromatographiesäule, die granuliertes Eisen(III)hydroxid zur Entfernung von As aufweist, wobei die Säulen hintereinander geschaltet sind.
Eine besonders bevorzugte Ausführung einer Wasseraufbereitungsvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist in Abb. 1 dargestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Einzelbestandteile aufweist:
Mehrere (mindestens drei) Chromatographiesäulen, wobei in Säule 1 als Austauschermaterial ein Bioadsorber (bevorzugt sphärische
Kohlenhydratpartikel) beinhaltet ist, Säule 2 einen anorganischen Adsorber (bevorzugt GEH) und Säule 3 Aktivkohle als Austauschermaterialien aufweist,
Leitungssystem mit Absperrvorrichtungen zum Variieren des Wasserflusses
mehrere Pumpen,
Durchflussmesser an jeder Säule pH-Meter mit entsprechenden Elektrodenmessbehältern Leitfähigkeitsmesssgerät
Schaltkasten
Montagegerüst.
Durch ein fexibles Leitungssystem verfügt die Vorrichtung, abgestellt auf die jeweilige Dekontaminationsaufgabe, über mehrere Möglichkeiten zur Verschaltung der Chromatographiesäulen:
1. Maximal alle drei Chromatographiesäulen können hintereinander geschaltet werden.
2. Jede Chromatographiesäule kann allein, d.h. abgetrennt von den anderen Säulen betrieben werden.
3. Der Wasserfluss kann sowohl im Abstrom als auch im Aufstrom geschaltet werden.
Abhängig von der Dekontaminationsaufgabe kann das Wasser in einzelnen Schritten oder in Kombination mehrerer Adsorbermaterialien hintereinander aufgereinigt werden. In einer besonderen Ausgestaltung der Vorrichtung ist die erste Chromatographiesäule von unten nach oben geschaltet und die beiden anderen Säulen hintereinander von oben nach unten.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung trägt den Ansprüchen vieler Wasserwerke Rechnung und hat die folgenden Vorteile:
a) Zur technischen Realisierung können i.d.R. andere Einrichtungen der Wasserversorgung (Pumpen, Reinwasserspeicher) ohne Änderung genutzt werden.
b) Es ist keine aufwendige Steuer- und Regelungstechnik erforderlich.
An folgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden, ohne sie darauf zu beschränken.
über eine Vorrichtung umfassend einen Bioadsorber in einer ersten Säule, GEH in einer zweiten Säule und ggf. Aktivkohle in einer dritten Säule, wurde zu reinigendes Trinkwasser mit einer Durchflussrate von 10 bis 15 Bettvolumina/Stunde geleitet.
Der ursprüngliche Gehalt an Fe im zu untersuchenden Trinkwasser betrug 490 ^g/1 (vorgeschriebener Grenzwert 2 00 &mgr;g/l) und der Mn-Gehalt lag bei 150 /xg/l (vorgeschriebener Grenzwert 5 0 Mg/1) · Die As-Konzentration betrug ca. 15 bis 4 0 &mgr;g/l (vorgeschriebener Grenzwert 10 &mgr;g/l) .
Nach dem Passieren des Bioadsorbers lag der Gehalt an Fe und Mn unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Werte. Mit dem Adsorbermaterial GEH (unter Anwendung des Handelsproduktes FerroSorb® Plus) konnten mehr als 40000
Bettvolumina Trinkwasser unter den gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwert von 10 &mgr;g/l abgereinigt werden.
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Chromatographiesäulen mit Adsorbens
Pumpen
Durchflussmesser
Leitungssystem
Absperrvorrichtung
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Dekontamination von Wässern, die Spuren von Arsen (As), Mangan (Mn) und Eisen (Fe) beinhalten, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Chromatographiesäulen (1, 2) umfasst, wobei eine Säule einen Bioadsorber zur Entfernung von Eisen und Mangan beinhaltet und die andere Säule einen anorganischen Adsorber zur Entfernung von Arsen beinhaltet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Säule mit Aktivkohle als Adsorbens umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Säule (1), durch die das zu dekontaminierende Wasser zuerst geleitet wird, den Bioadsorber beinhaltet und die nachgeschaltete zweite Säule (2) den anorganischen Adsorber beinhaltet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioadsorber sphärische Kohlenhydratpartikel darstellt und hergestellt ist, indem ein faseriges oder pulverförmiges Kohlenhydrat in einer wässrigen Harnstofflösung suspendiert wird, wobei gegebenenfalls nieder- oder hochmolekulare Füllstoffe der Suspension zugegeben werden, anschließend das Wasser unter Rühren und Temperaturerhöhung auf 100-200°C, bevorzugt bei einer Temperatur von 1300-160°C, ggf. unter Anlegen eines Vakuums, verdampft wird und die entstehenden sphärischen Partikel nach an sich bekannten Methoden gereinigt und ggf. derivatisiert oder modifiziert sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Adsorptionsmaterial zur Entfernung von As granuliertes Eisen(III)hydroxid (GEH) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Chromatographiesäulen (1, 2, 3) umfasst, die derart hintereinander geschaltet sind, daß Säule 1 von unten nach oben und die Säulen 2 und 3 von oben nach unten mit dem zu dekontaminierenden Wasser durchströmt werden, wobei Säule 1 einen Bioadsorber, Säule 2 einen anorganischen Adsorber und Säule 3 Aktivkohle beinhaltet.
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| CN113788510A (zh) * | 2021-10-19 | 2021-12-14 | 江西师范大学 | 一种适用于水库铁锰去除的装置 |
| CN113788510B (zh) * | 2021-10-19 | 2023-06-20 | 江西师范大学 | 一种适用于水库铁锰去除的装置 |
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