Untersuchungen zur Uferfiltration:
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Mülheim an der Ruhr
1994
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| Schriftenreihe: | Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie <Mülheim, Ruhr>: Berichte aus dem Rheinisch-Westfälischen Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie GmbH, Institut an der Universität, GH, Duisburg
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| adam_text | Titel: Untersuchungen zur Uferfiltration
Autor: Mälzer, Hans-Joachim
Jahr: 1994
Inhaltsverzeichnis MÄLZER, H.-J. Untersuchungen zu Transport- und Abbauvorgängen bei der Uferfiltration im Hinblick auf die Auswirkungen von Stoßbelastungen RAHM, H. Untersuchungen zur Entfernung von Schwermetallen in Spurenkonzentrationen aus Rohwasser für die Trinkwassergewinnung mit Hilfe eines chelatbildenden Kationenaustauschers
Inhaltsverzeichnis Seite 1. Einleitung und Problemstellung 1 2. Grundlagen des Stofftransports in porösen Medien 3 2.1 Einflußgrößen auf den Stofftransport in porösen Medien 3 2.2 Porositäten 3 2.3 Beschreibung des konvektiven Stofftransports 6 2.4 Beschreibung des dispersiven Transports 7 2.4.1 Definition 7 2.4.2 Fick sehe Dispersion 8 2.5 Einfluß des Betrachtungsmaßstabs auf die Beschreibung von Transportvorgängen in porösen Medien 10 2.6 Beschreibung von Adsorptionsvorgängen 16 2.7 Beschreibung von biologischen Abbauvorgängen 17 2.8 Allgemeine Transportgleichung 19 2.9 Analytische Lösung der eindimensionalen Transportgleichung 21 2.10 Numerische Lösung der eindimensionalen Transportgleichung 24 3. Angaben zur Versuchsdurchführung 26 3.1 Versuchsanlagen 26 3.2 Filtermaterialien 31 3.3 Verwendete Tracer 34 3.4 Verwendeter Schwebstoff 35 3.5 Verwendeter Störstoff 36 3.6 Summarische- und Charakterisierungsparameter 36 4. Versuchsergebnisse 37 4.1 Ergebnisse der Tracerversuche an der kleinen Versuchssäule (KVS) 37 4.2 Ergebnisse der Tracerversuche an den großen Versuchssäulen (GVS A, GVS B) 47 4.3 Ergebnisse der Infiltiationsversuche 55 4.4 Ergebnisse der Testfilteruntersuchungen 60 5. Übertragung der Versuchsergebnisse auf die Uferfiltration 85 5.1 Übertragung der Ergebnisse der Tracerversuche auf die Uferfiltration 85 5.2 Übertragung der Ergebnisse des Infiltrationsversuchs auf die Uferfiltration 116
5.3 Übertragung der Ergebnisse der Testfilteruntersuchungen auf die Uferfiltration 142 6. Simulation von Stoßbelastungen bei der Uferfiltration 150 7. Testfilterversuche als Methode zur Vorhersage von Störfallauswirkungen 160 8. Zusammenfassung 163 Literaturverzeichnis 167 Verzeichnis der Symbole und Abkürzungen 180 Anhang 1: Meßergebnisse der Versuche an der kleinen Versuchssäule 184 Anhang 2: Meßergebnisse der Versuche an den großen Versuchssäulen 189 Anhang 3: Meßergebnisse der Versuche an den Testfilteranlagen 192
III Inhaltsverzeichnis Abkürzungen, Begriffe und Definitionen 1. Einleitung....................................................................................................................1 2. (Schwer-)Metalle - Vorkommen und Mobilisierung.....................................................3 2.1. Belastung des Bodens.............................................................................................4 2.1.1. Klärschlamm........................... 4 2.1.2. Atmosphärische Schwermetalldepositionen........................................................5 2.1.3. Deponien und Halden.........................................................................................5 2.2. Belastung des Grundwassers......................................................................... 5 2.2.1. Mobilisierung von (Schwer-)Metallen in der Sickerwasserzone. 2.2.1.1. Atmosphärischer Säureeintrag............................................. 2.2.1.2. Säureeintrag durch landwirtschaftliche Bodennutzung..........
2.2.1.3. Auswirkungen des Säureeintrages........................................ 2.2.2. Mobilisierung von Schwermetallen im Grundwasserleiter..................................8 2.2.3. Mobilisierung von Schwermetallen durch Eingriffe in geologische Strukturen..........................................................................................................8 2.3. Belastung von Oberflächengewässem.....................................................................9 2.3.1. Fließgewässer....................................................................................................9 2.3.2. Talsperren und Seen.........................................................................................10 2.4. Fallbeispiele..........................................................................................................11 2.4.1. Kontamination eines Grundwassers durch schwermetallbelasteten Klärschlamm....................................................................................................11
2.4.2. Bilanzierung Uber atmosphärische Schwermetalldeposition, Mobilisierung aus dem Boden und Austrag mit dem Sickerwasser im Bereich des Solling.............................................................................................................13 2.4.3. Belastung des Grundwassers durch eine Bergehalde.........................................13 2.4.4. Folgen der Bodenversauerung für das oberflächennahe Grundwasser im Bereich der Bielefelder Senne..........................................................................14 2.4.5. Mobilisierung von Schwermetallen im Grundwasserleiter des Fuhrberger Feldes als Folge der Nitratverlagerung in einen reduzierten Grundwasserleiter............................................................................................16 2.4.6. Entwicklung der Schwermetallkonzentrationen in Rhein und Ruhr....................16 2.4.7. Auswirkungen des Sauren Regens auf die Beschaffenheit des Wassers einer Talsperre.................................................................................................17 2.5. Bewertung der (Schwer-)Metallprobleme aus der Sicht der Wasserversorgung................................................................................................18 vo vo f- r*-
IV 3. Entfernung von Metallen aus wässrigen Lösungen - State of the Art..........................20 3.1. Entfernung durch Fällung und Flockung...............................................................21 3.1.1. Entfernung durch Hydroxidfällung...................................................................21 3.1.2. Entfernung durch Mitfällung bei der Bildung von Calciumcarbonat...................23 3.1.3. Entfernung durch Sulfidfallung.........................................................................24 3.2. Entfernung durch Elektrolyse................................................................................25 3.3. Entfernung durch Membranverfahren....................................................................25 3.4. Entfernung durch Filtration, Adsorption und Austausch.......................................26 4. Ionenaustauscher.......................................................................................................29 4.1. Allgemeines..........................................................................................................29
4.2. Grundgerüste........................................................................................................30 4.2.1. Anorganische Ionenaustauscher........................................................................30 4.2.2. Organische Ionenaustauscher...........................................................................31 4.3. Ankergruppen.......................................................................................................33 4.3.1. Anionenaustauscher.........................................................................................34 4.3.2. Kationenaustauscher........................................................................................35 4.4. Wichtige Eigenschaften und Kenngrößen von Ionenaustauschern..........................38 4.4.1. Wassergehalt....................................................................................................38 4.4.2. Quellung..........................................................................................................40
4.4.3. Korngröße.......................................................................................................40 4.4.4. Kapazität.........................................................................................................41 4.4.5. Dissoziationsverhalten......................................................................................41 4.4.6. Selektivität und Spezifität.................................................................................42 4.5. Mathematische Ansätze zur Beschreibung des Ionenaustausches und ihre Anwendung auf chelatbildende Harze...................................................................44 4.5.1. Beschreibung des Gleichgewichtes...................................................................45 4.5.2. Kinetik des Ionenaustausches...........................................................................49 4.5.2.1. Filmdiflusion...............................................................................................50 4.5.2.2. Komdifiusion..............................................................................................53 4.5.2.3. Chemische Reaktion....................................................................................55 4.5.3. Theoretische Ansätze zur Berechnung der Durchbruchskurven von Ionenaustauschersäulen....................................................................................57 4.6.3.1. Gleichgewichtstheorien...............................................................................60 4.6.3.2. Bodentheorien.............................................................................................61 4.6.3.3. Nichtgleichgewichtstheorien........................................................................61
V 5. Ziele der Arbeit.........................................................................................................63 6. Experimenteller Teil..................................................................................................66 6.1. Aufbau der Versuchsanlage..................................................................................66 6.2. Rohwasserbeschaffenheit und -förderung..............................................................66 6.3. Austauscherharz...................................................................................................68 6.4. Betrieb der Versuchsanlage......................................................... 69 6.4.1. Vorversuche zur Festlegung geeigneter Filtergeschwindigkeiten.......................70 6.4.2. Hauptversuche zur Ermittlung von Durchbruchskurven....................................70 6.5. Regenerieren des Harzes.......................................................................................72 6.6.
Versuche zur Desorption von Nickel von beladenem Harz....................................73 7. Ergebnisse und Auswertung......................................................................................74 7.1. Volumenveränderung des Harzes.........................................................................74 7.2. Vorversuche zur Festlegung der Filtergeschwindigkeiten......................................75 7.3. Einfluß des Harzes auf einige wichtige Parameter der Wasserbeschaffenheit..........75 7.4. Erfassung und Auswertung der Rohwasserparameter............................................76 7.5. Darstellung der Meßergebnisse der Schwermetallentfemung.................................77 7.6. Durchbruchskurven der Schwermetalle - Interpretation und Auswertung..............79 7.6.1. Geschwindigkeit des Austausches am unbeladenen Harz...................................81 7.6.2. Geschwindigkeit der Komdifliision..................................................................82
7.6.3. Einfluß der Calciumkonzentration der Lösung auf den Verlauf der Durchbruchskurven von Nickel........................................................................84 7.6.4. Einfluß der Filtergeschwindigkeit auf den Verlauf der Durchbruchskurven von Nickel.......................................................................................................86 7.6.5. Einfluß der Ausgangskonzentrationen der Schwermetalle auf den Verlauf der Durchbruchskurven von Nickel..................................................................88 7.6.6. Einfluß der der Korngröße des Harzes auf den Verlauf der Durchbruchskurven von Nickel........................................................................89 7.6.7. Einfluß einer intermittierenden Betriebsweise auf den Verlauf der Durchbruchskurven von Nickel........................................................................89 7.6.8. Durchbruchskurven für weitere Schwermetalle.................................................91 7.6.9. Spezifität und Überhöhungen...........................................................................91 7.6.10. Kritische Anmerkungen zu den gemessenen Durchbruchskurven......................92 7.7. Ergebnisse der Regenerierversuche.......................................................................93 7.7.1. Gesamtbeladung...............................................................................................93 7.7.2. Anteil der Schwermetallbeladung.....................................................................94 7.8. Ergebnisse der Versuche zur Desorption von Nickel.............................................94 7.8.1. Teilschritt 1: Beladung.....................................................................................94 7.8.2. Teilschritt 2: Desorption...................................................................................95 7.8.3. Teilschritt 3: Desorption bei niedrigerem pH-Wert...........................................95
VI 8. Entwicklung eines empirischen mathematischen Modells für die Berechnung der Durchbruchskurven...................................................................................................97 8.1. Schritt 1: Anpassung einer Funktion an die Meßwerte...........................................97 8.1.1. Konzentrationsprofile.......................................................................................97 8.1.2. Wirkungsgrad................................................................................................101 8.1.3. Veränderung der Konzentrationsprofile mit der Zeit.......................................102 8.1.4. Mathematische Funktion zur Beschreibung der Durchbruchskurve.................104 8.2. Schritt 2: Abhängigkeit der Koeffizienten p, q und n von den Randbedingungen der Versuche..................................................................................105 8.2.1. Einfluß der Calciumkonzentration..................................................................106
8.2.2. Einfluß der Filtergeschwindigkeit...................................................................109 8.2.3. Einfluß der Schwermetallkonzentration..........................................................112 8.2.3.1. Metalle gleicher Spezifität..........................................................................112 8.2.3.2. Metalle unterschiedlicher Spezifität............................................................115 8.2.4. Einfluß der Korngröße des Harzes.................................................................115 8.3. Schritt 3: Kopplung zum Gesamtmodell..............................................................117 9. Vergleich verschiedener Modelle zur Berechnung von Durchbruchskurven von Ionenaustauschersäulen...........................................................................................121 9.1. Anwendung der Gleichgewichtstheorie...............................................................121 9.2. Anwendung der Bodentheorie in Verbindung
mit dem Oberflächenkomplex- ? bildungstheorie...................................................................................................121 9.3. Anwendung der Nichtgleichgewichtstheorie........................................................122 10. Diskussion und Zusammenfassung der Ergebnisse...................................................125 11. Perspektiven für eine Aufbereitung von Trinkwasser mit chelatbildenden Kationenaustauschern im technischen Maßstab........................................................130 11.1. Dimensionierung einer Aufbereitungsanlage im technischen Maßstab..................130 11.2. Regenerieren des Harzes und Entsorgung der Schwermetalle..............................132 11.3. Vergleich von Verfahren zur Entfernung von Schwermetallen aus Trinkwasser........................................................................................................134 12. Literatur. 136
VII Anhang A: Analytik und Chemikalien......................................................................146 Anhang B: Siebanalysen des Kationenaustauschers..................................................147 Anhang C: Daten der einzelnen Versuche................................................................148 Übersicht.......................................................................................................148 Vorversuche..................................................................................................149 Hauptversuche...............................................................................................151 Anhang D: Daten zur Regression.............................................................................205 Anhang E: Beladung des Harzes................................................................... 207 Anhang F: Liste der Regressionskoeflizienten p, q, und n...................... 211
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| spelling | Mälzer, Hans-Joachim Verfasser aut Untersuchungen zur Uferfiltration Untersuchungen zu Transport- und Abbauvorgängen bei der Uferfiltration im Hinblick auf die Auswirkungen von Stoßbelastungen Mülheim an der Ruhr 1994 203 212 S. : graph. Darst. txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie <Mülheim, Ruhr>: Berichte aus dem Rheinisch-Westfälischen Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie GmbH, Institut an der Universität, GH, Duisburg 9 Gefahrstoff (DE-588)4122160-6 gnd rswk-swf Trinkwasserversorgung (DE-588)4193371-0 gnd rswk-swf Xenobiotikum (DE-588)4193155-5 gnd rswk-swf Bewertung (DE-588)4006340-9 gnd rswk-swf (DE-588)4113937-9 Hochschulschrift gnd-content Gefahrstoff (DE-588)4122160-6 s Bewertung (DE-588)4006340-9 s Trinkwasserversorgung (DE-588)4193371-0 s DE-604 Xenobiotikum (DE-588)4193155-5 s Rahm, Harald Dietrich aut Untersuchungen zur Schwermetallelimination bei der Trinkwasseraufbereitung Rahm, Harald Dietrich aut Untersuchungen zur Entfernung von Schwermetallen in Spurenkonzentrationen aus Rohwasser für die Trinkwassergewinnung mit Hilfe eines chelatbildenden Kationenaustauschers Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie <Mülheim, Ruhr>: Berichte aus dem Rheinisch-Westfälischen Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie GmbH, Institut an der Universität, GH, Duisburg 9 (DE-604)BV004017751 9 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=007989963&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis Untersuchungen zur Schwermetallelimination bei der Trinkwasseraufbereitung Dissertationen 1993/94 |
| spellingShingle | Mälzer, Hans-Joachim Rahm, Harald Dietrich Rahm, Harald Dietrich Untersuchungen zur Uferfiltration Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie <Mülheim, Ruhr>: Berichte aus dem Rheinisch-Westfälischen Institut für Wasserchemie und Wassertechnologie GmbH, Institut an der Universität, GH, Duisburg Gefahrstoff (DE-588)4122160-6 gnd Trinkwasserversorgung (DE-588)4193371-0 gnd Xenobiotikum (DE-588)4193155-5 gnd Bewertung (DE-588)4006340-9 gnd |
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