Projekt 03802/01

Weiterentwicklung der Verfahrensgrundlagen zur Denitrifikation von belastetem Trink- und Grundwasser in mit Mikroorganismen immobilisierten speziell strukturierten Filterelementen

Projektdurchführung

HermesIndustrieanlagenbau GmbH
Hubertusstr. 35 A
45657 Recklinghausen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Verfahrens zur Sanierung von stark kontaminiertem Grund- und Trinkwasser. Grundlage der Entwicklung sollte ein völlig neuartiger Trägerstoff sein, der im Unterschied zu bekannten Verfahren aufgrund seines strukturellen Aufbaues weitaus geringere Reaktorvolumina erfordern, hohe Reaktionsgeschwindigkeiten ermöglichen und insgesamt eine sehr große Leistungsfähigkeit bzw. Effektivität zur Folge haben sollte. Als Träger für die immobilisierten Mikroorganismen kamen Garnwickelelemente zum Einsatz, deren ursprüngliche Anwendungen in der Feinstfiltration lagen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenErste Grundlagenuntersuchungen erfolgten an einer kleinen einstufigen Laboranlage. Es wurden in den Voruntersuchungen kontinuierliche Versuchsreihen mit dem Ziel der Ermittlung der günstigsten Milieubedingungen für eine Mischpopulation von Denitrifikanten durchgeführt. In den Versuchen kristallisierte sich heraus, dass keine signifikanten Unterschiede bei den eingesetzten Substratarten Ethanol und Essigsäure bestanden. Aus diesem Grund wurde in den folgenden Versuchen nur noch Ethanol als Substrat eingesetzt. Des weiteren erfolgten Untersuchungen zur Ermittlung einer optimalen Immobilisierungstechnologie für die zum Einsatz kommenden Trägerelemente.
Im Anschluss daran wurde eine kleintechnische vierstufige Versuchsanlage (50 l pro Stunde) konzipiert und gebaut. Mit der Kaskadenschaltung wurden Untersuchungen zum Langzeitverhalten des Verfahrens einschließlich der Trägerstoffe gefahren. Es wurden weiterhin Langzeitversuche (min. 30 Tage bis max. 160 Tage) durchgeführt. Es konnte ein Nachweis der technischen Realisierbarkeit und der Vorteile des Verfahrens im Dauerbetrieb festgestellt werden. Für die Optimierung verfahrenstechnischer Parameter und die Realisierung von Paralellversuchsreihen wurden modifizierte Aggregate, beispielsweise im Hinblick auf eine optimale Rückspültechnik, konzipiert und gebaut. Die Versuchsserien konnten noch nicht abgeschlossen werden. Im Hinblick auf die hygienische Unbedenklichkeit des denitrifizierten Wassers wurden mikrobielle Untersuchungen verschiedener Proben durchgeführt. Künftig müssten weitere Versuchsserien durchgeführt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Während der Anfangsphase des Projektes wurde begonnen, Probleme hinsichtlich der Einhaltung der erforderlichen Grenzwerte bei der Nitrateliminierung in der Trinkwasseraufbereitung, der optimalen Substratdosiervarianten, des Langzeitverhaltens bzw. der Standzeiten des neuartigen Trägerstoffes und der Durchsatzleistungen zu untersuchen. In der zweiten Phase des Projektes erfolgte eine Weiterentwicklung der Verfahrensgrundlagen zur Denitrifikation von belastetem Trink- und Grundwasser in mit Mikroorganismen immobilisierten speziell strukturierten Filterelemen-ten.
Nach der Ermittlung einer günstigen Vorgehensweise zur Gestaltung der Adaptionsbedingungen und ei-ner geeigneten Immobilisierung wurde Ethanol als Substrat zur weiteren Verwendung ausgewählt. Das C/N-Verhältnis von 1,0 fand als optimalste Dosiervariante für die hier zur Anwendung gekommene Verfahrenstechnik Bestätigung. Die Anwendung von Reinkulturen war als zu kostpielig und arbeitsaufwendig anzusehen, deshalb wurde der Einsatz von Mischkulturen favorisiert. Die anfänglichen Probleme mit zu hohen Nitritgehalten konnten minimiert werden, wobei jedoch immer eine mehrstufige Anlage zur Anwendung kommen sollte. In einem Langzeitversuch über 160 Tage wurden sehr gute Nitratreduzierungen bzw. Nitratabbaugeschwindigkeiten bei Verweilzeiten von über 2 Minuten erzielt. Eine Vorbehandlung des kontaminierten Wassers, beispielsweise eine Begasung mit Stickstoff, wurde nicht erforderlich, da der hier vorhandene Sauerstoffgehalt, wie die Versuchsreihen zeigten, keinen negativen Einfluss auf den gesamten Versuchsverlauf hatte.
Weiterhin konnten in vielen Versuchsreihen die Vorteile der Kaskadenschaltung bestätigt werden. Mit Hilfe dieser Verfahrensweise war es möglich, durch verschiedenste Verschaltungen und wechselnden Austausch der Trägerstoffe einen reibungslosen und störungsfreien Denitrifikationsprozess zu gewährleisten, ohne den erforderlichen Abbau zu gefährden. So konnten Schwankungen, die natürlicherweise im Einlauf in der Praxis Realität sind, sehr gut abgefangen und ausgeglichen werden.
Mit Hilfe des Verfahrens war ein über 80-%iger Nitratabbau bei Verweilzeiten zwischen 2,7 und 8 Minuten möglich, unabhängig vom Nitratmasseneingangsstrom mit nur einem Aggregat, dem kleinsten verfahrenstechnischen Grundbaustein.
Als Resultat der Versuchsreihen wurde ein Konzept zur Pilotreaktorgestaltung entwickelt. Im Rahmen des gesamten Projektes bestätigte sich, dass der Einsatz der Garnwickelelemente als mikrobieller Trägerstoff sehr viele verfahrenstechnische und wirtschaftliche Vorteile aufzuweisen hat. Aus diesem Grund fanden auch erste Untersuchungen statt, das Verfahren zum Abbau anderer Schadstoffe anzuwenden. Die sehr hohen Reaktionsgeschwindigkeiten, die mit diesem Trägermaterial erreichbar sind, die hohen Nitrateingangswerte und die sehr guten Aufwuchsbedingungen für Mikroorganismen ließen den Schluss zu, dass diese Vorteile auch sehr gute Voraussetzungen für den Schadstoffaufbau hochbelasteter Abwässer sind. In einigen Versuchsreihen mit Reaktivfarbstoffen wurde damit begonnen, diese Aussagen zu bestätigen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Firma Hermes Industrieanlagen GmbH, Elektro- Mess- und Automatisierungstechnik Anlagenbau, Hubertusstrasse 35a, 45657 Recklinghausen, Ansprechpartner: Herr Hinzmann, Tel. 02361 / 93670-0, Fax -50;
Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Aufbereitungstechnik, Karl-Marx-Strasse 17, 03044 Cottbus, Ansprechpartner: Herr Professor Ay, Tel. 0355 / 69-3635, Fax -2929.
Veröffentlichungen:
Peter Ay, Petra Behnsen und Barbara Schimke: Denitrifikation von belasteten Grund- und Trinkwasser in mit Mikroorganismen immobilisierten speziell strukturierten Filterelementen, Chem. Ing. Tech. (1996) 68 (7), 812-815., GVC Jahrestagung 1995, Straßburg.
Peter Ay, Barbara Schimke: Betriebserfahrungen mit einer Pilotanlage zur Denitrifikation von belastetem Grund- und Trinkwasser in mit Mikroorganismen immobilisierten strukturierten Filterelementen; 3. GVC-Kongress, 1996 Würzburg.


Fazit

Im Rahmen des Projektes konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass die Garnwickelelemente gewisse Vorteile beim Einsatz als mikrobieller Trägerstoff gegenüber den bisher bekannten Verfahren besitzen. Die Technik ermöglicht nach den Versuchsreihen hohe Reaktionsgeschwindigkeiten bei zum Teil sehr hohen Nitrateingangsströmen.
Erfreulich ist, dass das im Juni 1993 noch gewissermaßen als innerdeutsches Kooperationsprojekt zwischen der Technischen Hochschule Köhten/ der BTU Cottbus und der Firma Hermes aus NRW beantragte Vorhaben nach den zeitlichen Verzögerungen mit guten Ergebnissen beendet werden konnte. Wie Herr Dr. Goretzky von der Firma Hermes in St. Marienthal am Rande der Sommerakademie im IBZ der Umweltstiftung mitteilte, wollen die Firma Hermes und Herr Professor Ay das Konzept weiterverfolgen, da durchaus ein Markt für den Einsatz des Verfahrens gesehen werde.