PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19857806A1 21.06.2000
Titel Verwendung eines hochporösen überwiegend SiO2 und Al2O3haltigen Materials zur Reduzierung des Nitratgehalts im Wasser
Anmelder Trimborn, Ludwig J., 52349 Düren, DE
Erfinder Gelhardt, Jürgen, 52428 Jülich, DE
DE-Anmeldedatum 15.12.1998
DE-Aktenzeichen 19857806
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse C02F 3/28
IPC-Nebenklasse B01J 20/10   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung eines hochporösen überwiegend SiO2 und Al2O3 haltigen Material zur Reduzierung des Nitratgehalts im Wasser, daß hauptsächlich als Granulat oder in ähnlich geformter Form vorliegt.

Das zunehmende Gesundheitsbewußtsein in der Bevölkerung hat dazu geführt, daß man sich auch unser elementarstes Lebensmittel, das Trinkwasser, etwas genauer betrachtet.

In Landstrichen mit einem hohen Anteil an Landwirtschaft hat man seit geraumer Zeit beobachtet, daß der Nitratgehalt im Trinkwasser stetig angestiegen ist. Nitrat, das Salz der Salpetersäure, ist ein natürlicher Bestandteil der Pflanzen, der aber durch übertriebene Düngung, sei es durch Kunstdünger oder Aufbringung von Gülle extrem erhöht wird. Mit dem natürlichen Niederschlag wird das gelöste Salz in das Grundwasser transportiert und gelangt so über die Brunnen in die Trinkwasserversorgung. Im menschlichem Organismus werden Nitrate durch Bakterien in Nitrit umgesetzt, aus denen sich in Gegenwart von Eiweiß, das in vielen Lebensmittel enthalten ist, krebserregende Nitrisamine bilden. Nitrite, Salz der salpetrigen Säure, z. B: Natriumnitrit (NaNO2) ist als starkes Zellgift bekannt, das den Sauerstofftransport im Blut behindert und bei Säuglingen und Kleinkinder zur Blausucht führen kann. Durch ein häufiges Auftreten der Zyanose, wie die Blausucht im medizinischen Fachkreisen genannt wird, ist die Bevölkerung im Bezug auf den Nitratgehalt des Trinkwassers aufmerksam und sehr sensibilisiert worden.

Zahlreiche Fachleute aus dem Bereich der Trinkwasseraufbereitungs-Anlagenhersteller und der Trinkwasserversorgungsunternehmen haben sich in den letzten Jahren intensiv mit Lösungsmöglichkeiten befaßt, den Nitratgehalt des Trinkwassers zu senken. Hierzu werden z. B. Versorgungsleitungen von minder belasteten Brunnen in die Landstriche verlegt in denen stark belastetes Wasser gefördert wird. Das Wasser mit dem erhöhtem Nitratgehalt wird mit dem minder belasten Wasser so gemischt, daß die gesetzlich vorgegebenen Werte eingehalten werden können.

In Bereichen von Wasserversorgern, die nicht diese Möglichkeit haben minder belastetem Wasser beizumischen, oder wo eine kostenintensive Zusatzleitung nicht verlegt werden kann, werden Familien mit Säuglingen und Kleinkinder bis zum Alter von 4 Jahren mit Mineralwasser kostenlos beliefert.

Der geschilderte Stand der Technik macht es deutlich, daß der Fachmann noch weit von einer technisch und wirtschaftlichen optimalen Lösung entfernt ist.

Überraschend hat nunmehr der Erfinder eine Lösung der geschilderten Aufgabenstellung gefunden, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Nitrat belastete Wasser durch einen Bioreaktor geleitet wird, der teilweise mit einem hochporöses Material gefüllt ist, das 15-40% Al2O3, / 40-80% SiO2, / 0,2-10% FeO3 / 0,4-10% TiO2 / 0,2-5% MgO, / 0,1-4% CaO, / 0,05-4% Na2O, / 0,5-8% K2O enthält, wobei sich die Mengen jeweils zu 100% ergänzen. Ferner hat der Erfinder gefunden, daß das erfindungsgemäße Ergebnis auch dann erhalten wird, wenn das hochporöse Material zusätzlich ZrO2 > 0-10% oder, und wenigstens eines beliebigem Metall- oder Halbmetalloxid des Periodensystems enthält, wobei die Menge sich zu 100% ergänzt. Es ist dem Fachmann bekannt, daß solche Metalle/Halbmetalleoxide insbesondere in natürlich vorkommenden Aluminiumsilikaten als Verunreinigungen vorliegen können.

Nach der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr möglich, durch zwischenschalten, des erfindungsgemäß zusammengesetzten Bioreaktors, das mit Nitrat belastete Wasser auf einen vom Gesetzgeber vorgegebenen Wert einzustellen.

Der Bioreaktor (1) wird mit Wasser gefüllt, mittels einer Pumpe wird das Wasser über einen Zeitraum von 1-48 Stunden im Kreislauf gefahren. Der Austritt (2) des Kreislauts wird im freien Fall in ein nach oben offenes Gefäß geleitet, aus dem die Pumpe ihren Vorlauf (3) ansaugt. Da das Wasser im freien Fall mit Luft angereichert wird, nimmt das Wasser auch die dinitrifizierenden Bakterien die sich in der Umgebungsluft befinden auf. Diese Bakterien werden von dem auf Siebböden (5) bzw. Siebboden (5) gelagertem hochporösem Material (4) aufgenommen. Über den Zeitraum wird so in und auf dem Material (4) ein regelrechter Biorasen angelegt. Es ist auch denkbar und mit geringem Erfolg verifiziert worden, den Bioreaktor mit Wasser zu füllen und dann über eine Luftzufuhr so die Bakterien auf und in das hochporöse Material einzubringen. Aber offensichtlich wird über das Einperlen der Luft im Wasser eine zu große Turbulenz verursacht, so dass die Bakterien keine Zeit finden sich anzusetzen.

Nach der erfahrungsgemäßen Zeit wird der Kreislaufbetrieb eingestellt und das zur Verwendung kommende Wasser wird durch den Bioreaktor (1) geleitet, und steht nun als Brauch- oder Trinkwasser zur Verfügung.

Bei der Dinitrifikation von Bakterien wird unter anaeroben Bedingungen Nitrat über Nitrit und Distickstoffoxid (N2O) zu Stickstoff (N2) reduziert. Zu diesem Stoffwechsel sind eine Vielzahl aerober und fakultativ anaerober Bakterien befähigt (z. B. Flavobacterium, Pseudomose aeruginosa, Thiobacillus denitirficans, Rhodopseudomonas sphaeroides, Bacillus licheniformis, Paracoccus denitrificans). Die dinitrifizierenden Bakterien verwenden in Abwesenheit von Sauerstoff Nitrat als Wasserstoff-Akzeptor für den Katabolismus. (Abbau chem. Substanzen im Stoffwechsel)



NO3 → No2 → NO → N2O → N2.

Die beiden ersten Enzyme dieser Reaktion, Nitrat-Reductase und Nitrit-Reductase, sind membrangebunden und werden entweder durch anaerobe Bedingungen oder zusätzlich durch Nitrit induziert. Nicht nur Nitrat, sonder auch Nitrit und Distickstoffoxid können von vielen Dinitrifikanten als Wasserstoff-Akzeptator verwendet werden. Die Dinitrifikation ist der einzige Stoffwechselweg, bei dem gebundener Stickstoff in die molekulare Form überführt werden kann.

Wird die Funktion des Bioreaktors über einen längeren Zeitraum nicht benötigt, ist dafür Sorge zu tragen, daß stetig eine geringe Abnahme an behandeltem Wasser gegeben ist, damit der in und auf dem hochporösem Material befindlichen Bakterienrasen mit dem Nitrat belastetem Wasser aufrecht erhalten wird. Erfahrungsgemäß hat sich gezeigt, daß die Bakterien ab 24 Stunden ohne Nitrat zuverarbeiten, langsam absterben.

Mit Hilfe der Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1

In Fig. 1 wird der Bioreaktor durch (1) dargestellt. Das nitratbelastete Wasser wird über den Vorlauf (3) von unten in den Reaktor (1) eingeleitet, im Innenraum befindet sich in einigem Abstand vom Eintritt ein Siebboden (5) auf dem das hochporöse Material (4) in Wirrlage als Schüttung aufgebracht ist. Der Reaktor stellt sich als röhrenförmiger Körper dar, mit einem beispielsweise runden oder ovalen Querschnitt, diese Form ist vorzugsweise als strömungsgünstig anzusehen. Auch andere Querschnitte sind erfindungsgemäß brauchbar, wie rechteckig, viereckig und andere. Der Durchmesser des röhrenförmigen Reaktors liegt bei 25 mm bis zu einigen Meter, die Höhe des Reaktor ist von 15 cm bis zu einigen Meter, diese Maßangaben variieren je nach Wasserbedarf, denn durch die Bauweise ist eine maximale Durchflußmenge vorgegeben. In Abhängigkeit von der Nitratbelastung und im allgemeinen vom Wasserbedarf, können größere oder auch mehrere Reaktoren hinter- oder nebeneinander geschaltet werden. Hier hat der Fachmann einen breiten Raum, nach für ihn wichtigen Gesichtspunkten die Maße und Anzahl zu wählen. Über den Austritt (2) verläßt das nitratreduzierte Wasser im Oberen Bereich und der bei dieser Bioreaktion entstanden Stickstoff (N2) sowie der Sauerstoff (O2), sofern er nicht im Wasser gebunden ist, gasförmig den Reaktor. Der Reaktor kann aus Stahl, Edelstahl, anderen Metallen oder Metall-Legierungen und druckfesten Kunststoffen gefertigt sein. Die Wandung kann erfindungsgemäß ferner aus keramischen oder anderen form- und druckfesten Werkstoffen bestehen. Ferner besteht die Möglichkeit Einbauten und Leitbleche zur Strömungsbeeinflussung einzubauen.

Lichtdurchlässige Werkstoffe können nicht zur Anwendung gebracht werden, da die Bioreaktion über einen längeren Zeitraum nur in Lichtabgeschiedenheit aufrecht erhalten werden kann, oder es muß gewährleistet sein, daß der Raum in dem der Reaktor installiert ist überwiegend völlig dunkel gehalten wird. Das Einbringen des hochporösen Materials muß gewissenhaft und präzise vorgenommen werden, um zu vermeiden, daß größere Hohlräume und an den Wandungen Bypässe entstehen.

Fig. 2

In Fig. 2 ist beispielsweise der erfindungsgemäße Bioreaktor (1) mit mehreren von einander getrennten Schüttungen des hochporösen Materials (4) dargestellt. Das nitratbelastete Wasser wird über den Vorlauf (3) von unten in den Reaktor eingeleitet, im Innenraum befindet sich in einigem Abstand vom Eintritt der erste Siebboden (5) auf dem das hochporöse Material (4) in Wirrlage als Schüttung aufgebracht ist. Hat das Wasser diese Schüttung durchströmt, gelangt es in einen Freiraum, der nach oben durch einen weiteren Siebboden (5) begrenzt ist. Auf diesem Siebboden (5) ist wieder eine Schüttung des hochporösen Materials (4) eingebracht. Mit der Strömung wird das Wasser durch die zweite Schüttung transportiert und durchströmt hiernach die dritte, vierte oder noch weitere Schüttungen oder aber verläßt über den Austritt (2) den Reaktor. Diese Bauweise hat erfindungsgemäß den Vorteil, daß Bakterien, die durch eine Zellteilung in der ersten Schüttung entstehen können, in der zweiten, dritten oder in weiteren Schüttungen des hochporösen Materials wirksam werden können. In Fig. 2 ist beispielhaft ein Bioreaktor mit drei Schüttungen dargestellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verwendung eines Materials zur Reinigung des Wasser, insbesondere zur Reduzierung des Nitratgehalt, das 15-40% Al2O3/40-80% SiO2 / 0,2-10% FeO3 / 0,4-10% TiO2 / 0,2-5% MgO/0,1-4% CaO / 0,05-4% NaO2 / 0,5-8% K2O enthält, wobei sich die Mengen jeweils zu 100% ergänzen.
  2. 2. Verwendung eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in einer hochporösen Form vorliegt.
  3. 3. Verwendung eines Materials nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material granulatartig ist.
  4. 4. Verwendung eines Materials nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das granulatartige Material in Wirrlage angeordnet ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com