Prozessorientierter Einsatz neuartiger katalytisch aktiver Kugelkollektoren in Tiefenfiltern zur Eliminierung von Mangan in der Wasseraufbereitung

Entwicklung neuartiger Filtermaterialien in Tiefenfiltern zu Eliminierung von Mangan in der Wasseraufbereitung

Die Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch unterliegt strengen Anforderungen. Dabei ist die Entfernung von gelöstem Mangan aus manganhaltigen Grundwässern eine wichtige Aufgabe der Aufbereitung in Wasserwerken und industriellen Wasseraufbereitungsanlagen. Im Trinkwasser enthaltenes gelöstes Mangan kann zu verschiedenen technischen und hygienischen Problemen führen. So neigt Mangan zur Bildung von Inkrustationen in Rohrleitungen, Armaturen und Behältern, was erhöhte Betriebs- und Wartungskosten zur Folge hat. Ferner bieten derartige Ablagerungen ideale Bedingungen zur unkontrollierten Vermehrung von Bakterien. Als Kontaminationsherde stellen sie ein erhebliches Risiko für die hygienische Sicherheit und die Einhaltung mikrobiologischer Grenzwerte der Trinkwasserverordnung dar.

Die Entfernung von Mangan aus dem Rohwasser erfolgt in der Regel mittels Tiefenfiltration. Mangan liegt im Wasser gelöst als Ion der Oxidationsstufe +II vor. Um Mangan von dieser gelösten in eine unlösliche, filtrierbare Form zu überführen, ist es notwendig dieses zu unlöslichem Braunstein (MnO2) der Oxidationsstufe +IV zu oxidieren.

In der Praxis der Entmanganung kommen in der Regel biologisch unterstützte Verfahren über inerte oder basische Filtermaterialien zum Einsatz.

Diese biologischen Verfahren nutzen das Wachstum sogenannter Manganbakterien im Bett eines Tiefenfilters. Diese Bakterien oxidieren das zweiwertige Mangan partiell zu Braunstein. Die dabei gebildeten Ablagerungen fungieren wiederum als Autokatalysatoren für die weitere Oxidation des Mangans.

Ein wesentlicher Nachteil dieser biologisch unterstützten Manganelimination ist die lange Einarbeitungszeit der Filter. Diese ist durch das langsame Wachstum der Manganbakterien im Filterbett begründet und beträgt mehrere Wochen bis Monate.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird ein neuartiges kugelförmiges Filtermaterial für die Entfernung von Mangan aus Trinkwasser entwickelt und im Pilotmaßstab getestet.

Ziel ist es, dieses Filtermaterial katalytisch wirksam zu gestalten. Somit soll die Einarbeitungszeit eines Tiefenfilters erheblich verkürzt werden. Außerdem soll die Dosierung oxidierender Chemikalien in das Rohwasser drastisch reduziert beziehungsweise gänzlich vermieden werden. Zusätzlich zu den Vorteilen der katalytischen Aktivität sind durch den Gebrauch kugelförmiger Trägermaterialien im Vergleich zu herkömmlichen Filtermaterialien (z.B. Quarzsand) hydrodynamische Vorteile zu erwarten. Die angestrebte Entwicklung birgt daher deutliches Potential für Einsparungen bei Betriebs- und Rüstkosten der Aufbereitung.

Am Institut für Lebensmitteltechnologie werden im Rahmen von Vorversuchen verschiedene Filtermaterialien auf ihre Eignung zur Entmanganungsfiltration getestet. Mit dem vielversprechendsten Material sollen in Folgeversuchen detaillierte Untersuchungen bezüglich der Teilprozesse Filtration und Filterspülung durchgeführt werden. Parallel soll ein Verfahren zur chemischen Regenerierung dieses Filtermaterials entwickelt werden.

Filtrationsanlage Frontalansicht - Untersuchung der Filtermaterialien im Rahmen der Vorversuche

Filtrationsanlage Rückansicht

Am Lehrstuhl für Lebensmittelchemie und Molekulare Sensorik der Technischen Universität München werden die Teilprozesse Filtration und Filterspülung in einem Modell erfasst und darauf basierend verschiedene Prozessbedingungen simuliert. Das angedachte Modell soll zudem als Grundlage für die optimierte Bemessung von Filterapparaten dienen.

Die Entwicklung der Filtermaterialien erfolgt durch die Sigmund Lindner GmbH. Im Fokus der Entwicklung stehen die großtechnische Umsetzbarkeit sowie die Materialeigenschaften der Filtermittel wie Filtrationsleistung, Rückspülbarkeit, Regenerierbarkeit und Haltbarkeit.

Publikationen

Rose, P.; Hager, S.; Glas, K.; Rehmann, D.; Hofmann, T. (2016): Coating techniques for glass beads as filter media for removal of manganese from water. Water Science and Technology: Water Supply 17 (1). DOI: 10.2166/ws.2016.116
Abstract | Volltext Link

Dry as well as wet coating techniques were developed to coat glass beads as filter media to remove manganese from water. For dry coating, powdered manganese oxide ore was fixed on the media surface. Wet coating was achieved by depositing synthetic manganese oxides onto the bead surface. The media were characterized by electron microscopy as well as by testing the removal of Mn2+ in a continuous stirred tank reactor. Image analysis of microscopic pictures illustrated that the surface area could partly be coated by powdered material using dry coating methods, whereas complete coverage was achieved using wet coating approaches. With regard to dry coating techniques, Mn sorption uptake was higher for the adhesively dry coated glass beads than for beads where a binding agent was used. The wet coating column approach proved to be more successful than the coating of beads in a stirred tank reactor. Mn removal capability of the beads increased with higher reactant concentrations during coating. Oxide-coated glass beads applied in filter systems have the potential to improve conventional demanganization processes.