Projekt 12061/01

Untersuchungen zur Prozeßstabilität eines denitrifizierenden Elektrokatalysereaktors auf der Basis von Zinnbronze und edelmetalldotierter Graphite für die Nitrat- und Nitritentfernung bei der Trinkwasseraufbereitung und im Bereich der dezentralen Abw[…]

Projektdurchführung

Fachhochschule Gießen-FriedbergFachbereich MNILabor für Entsorgungstechnik
Wiesenstr. 14
35390 Gießen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Grobziel des vorliegenden Projekts war die Entwicklung eines marktfähigen elektrokatalytischen Reaktors zur technischen Denitrifikation von Nitrat und Nitrit bei der Trinkwasseraufbereitung, Entsorgung von Konzentraten der physikalischen Wasseraufbereitung und für Abläufe aus der dezentralen Abwasserreinigung. Primäres Feinziel in der ersten Projektphase war unter praxisgerechten Bedingungen die grundsätzliche Eignung des Verfahrens für die Behandlung realer Trinkwässer nachzuweisen. Die Einhaltung besonderer Anforderungen beim Umgang mit dem Lebensmittel Trinkwasser einschließlich der Beachtung gesetzlicher Rahmenbedingungen ist eine Grundvoraussetzung für ein derartiges Projekt, deren Erfüllbarkeit war darzulegen. Mit einer Kostenabschätzung war die wirtschaftliche Tragfähigkeit des Aufbereitungsverfahrens im Vergleich mit anderen Verfahren nachzuweisen.
Die zweite, nicht durchgeführte Projektphase zielte insbesondere auf die Behandlung von Konzentraten aus der physikalischen Aufbereitung von Trinkwasser, z.B. nitrathaltige Regeneratlösungen von Ionenaustauschern oder Umkehrosmoseeinheiten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Umsetzung der Zielsetzung war primär eine prozessstabile Versuchsanlage aufzubauen. Dazu sollte aus dem Batchbetrieb der zuvor vorhandenen Laborablage ein kontinuierlicher Prozess entwickelt werden. Zur Messwertaufnahme, Steuerung und Regelung sowie einer Prozessvisualisierung im Sinne eines Prozessleitstandes der Anlage war eine anpassungsfähige Software zu erstellen. An die mechanische Prüfung der Versuchsanlage schlossen sich Untersuchungen zur Stabilität von Elektroden (Bronze, Graphit) an. Analysen zur potentiellen mikrobiologischen Kontamination von Kathoden und verfahrensrelevanter Anlagenbestandteile (Ionenaustauschermembran), sowie mikrobiologische Un-tersuchungen zur Einhaltung der gesetzlich festgelegten Rahmenbedingungen für Trinkwasser (TVO, DIN 2000, WHO- u. EG-Richtlinien) umfassten unter Berücksichtigung der zeitlichen Akkumulation innerhalb der Anlage folgende Qualitätsparameter : KBE-Bestimmung mittels Plattenausgussverfahren nach den Vorschriften der TVO (Anlage 1, Abs. 5) zur Beurteilung der Entwicklung der mikrobiellen Belastung des Prozesswassers; REM-Aufnahmen zur Analyse der Biofilmbildungsrate; Fluoreszenzaufnahmen mittels DAPI/CTC-Färbeverfahren zur Beurteilung der Zellveränderungen und Biofilmzusammensetzung.
Zusätzlich wurden parallel IC-Analysen von Kationen- und Anionengehalten durchgeführt sowie physikalische Parameter wie pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur des Prozesswassers erfasst. Sie dienten u.a. zur Korrelationen von Verfahrensparametern und mikrobieller Akkumulationen im zeitlichen Verlauf der Denitrifikation. Dieses analytische Instrumentarium eröffnet Zugang zum Prozessverständnis und ermöglich auf experimenteller Basis ein zielorientiertes Eingreifen.


Ergebnisse und Diskussion

Für das EKN-Verfahren wurde erfolgreich eine PC-gesteuerte Durchflussanlage erstellt und im Verbund mit dem Wasserwerk Hattenrod/Reiskirchen betrieben. Sowohl katalytische Systeme auf der Basis Graphit/Palladium als auch Zinnbronzen wurden erfolgreich getestet. Mit beiden System wird im quasi Durchflussbetrieb ein stabiler Ablaufwert für Nitrat unter dem Grenzwert c(NO3) £ 50 mg/L erreicht. Jedoch überstiegen die Nitritwerte und die mikrobiellen Belastung die Vorgaben der Trinkwasserverordnung (TVO).
Die in der gegenwärtig genutzten Versuchsanlage beobachtete mikrobiellen Belastung beruht primär auf zu langer Stand- und Verweilzeit des Wassers im Vorlagenbehälter bzw. im Reaktor. Ungünstig erscheinen darüber hinaus die aus experimentell-praktischen Gründen zum Anlagenbau verwendeten Kunststoffmaterialien. Zur Problembehebung in Bezug auf die mikrobiellen Belastung wäre die Verwendung von Edelstahl angezeigt, da dieses Material Ansiedelungsmöglichkeiten unterdrückt. Durch elektrisches Umpolen im Rahmen von Wartungsintervallen kann der Biofilmbildung entgegengewirkt werden.
Des Weiteren wird durch das Umpumpen die Temperatur auf über 20° C erhöht, wodurch optimale Wachstumsbedingungen für die Mikroorganismen realisiert werden. Das nitratreiche Rohwasser hat ursprünglich eine Temperatur von 7° C und sollte ggf. durch Kühlverfahren auf diesem für Mikroorganismen ungünstigen Temperaturniveau gehalten werden. Es ist die Nichteignung der untersuchten katalytischen Systeme für Trinkwasser aufgrund des Überschreitens des Grenzwertes für Nitrit festzuhalten. Hier bietet der Einsatz von Palladium-Katalysatoren Verbesserungsmöglichkeiten. Innerhalb der Projektlaufzeit ist der Preis für Palladium von 5-7 DM/g auf 56,70 DM/g gestiegen. In der Konsequenz ist ein wirtschaftlicher Einsatz von Pd-katalysierten Verfahren derzeit nicht möglich. Für den wirtschaftlich-technischen Betrieb der elektro-katalytischen Nitratentfernung kann daher derzeit nur das System Zinnbronze für den Bereich der Entsorgung von Konzentraten aus Wasseraufbereitungsanlagen nach dem Ionenaustauschverfahren bzw. der Membrantechnologien (Umkehrosmose/Nanofiltration) sowie im abwassertechnischen Bereich (Kühl-, Schmierstoffaufbereitung) herangezogen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

M. Röhricht, E.A. Stadlbauer, H. Happl: Nitratentfernung durch Kombination von Nanofiltration und Elektroanalyse, in 4. GVC-Abwasser-Kongreß 1999), Verfahrenstechnik der Abwasser- und Schlammbehandlung -additive und prozessintegrierte Maßnahmen (Hrsg. VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen), 6.-8. September 1999, Bremen
Stadlbauer, E.A.; Röhricht, M.; Weber, B.; Althaus,T. Combined Nanofiltration / Electro-Catalysis System to treat Nitrate contaminated Water, in: Proceedings Waste Minimisation and End of Pipe Treatment in Chemical and Petrochemical Industries, IAWQ International Specialised Conference of the Chemical Industry Group, Merida Yucatan, Mexico, (1999), 521-524.
Stadlbauer, E.A.; Röhricht, M.; Happl, H.; Weber, B.; Eberheim, J ; Sauerland, U,; Bojanowski, S.; Esch, J.: Removal of Nitrate from Aqueous Streams, in: Bioremediation of Metal and Inorganic Compounds, Fifth International In Situ and On-Site Bioremediation Symposium, San Diego, California, (1999), 97-102.
Achema 2000 Frankfurt Gemeinschaftsstand hessischer Hochschulen, Exponat und Vortrag zum Thema Physikalisch-elektrokatalytische Nitratentfernung, 22.-27. Mai 2000


Fazit

Das Preisgefüge auf dem Weltmarkt Palladium macht die Verfolgung palladium-katalysierter Systeme im Trinkwasser/Brauchwasser derzeit wirtschaftlich nicht möglich.Katalysierte Systeme auf der Basis von Zinnbronzen sind für die nachgeschaltete Entsorgung physikalischer Wasseraufbereitungstechnologien, z.B. Membrantechnologie und Ionenaustausch zu untersuchen. Mikrobielle Kontaminationen und auftretende geringe Nitritkonzentrationen sind in diesem Anwendungsbereich ohne besondere Bedeutung. Sie verbieten mit dem derzeitigen Entwicklungsstand jedoch einen Einsatz im Trinkwasserbereich. Das Hauptziel der ersten Projektphase, die Einsetzbarkeit für Trinkwasser nachzuweisen, wurde somit nicht erreicht. Dies begründet den Projektabbruch und Verzicht auf die zweite Phase.