Denitrifikation
Obwohl das Nitratproblem seit langem bekannt ist - hinsichtlich der Auswirkungen des Nitrates auf die Gesundheit als auch die Ursachen, ist in vielen Gegenden Deutschlands und auch international ein weiterer, teils drastischen Anstieg von Nitrat im Grundwasser zu verzeichnen. Somit besteht ein großer Bedarf an leistungsfähigen Anlagen zur Nitratentfernung.
Nitrationen können mit unterschiedlichen Verfahren aus Wasser entfernt werden. Dies sind:
- Ionenaustausch
- biologische Denitrifikation
- Membranverfahren
- elektrochemische und katalytische Denitrifkation
Ionenaustauschverfahren
Der Ionenaustausch stellt eine der klassischen Verfahren zur Nitratelimination dar. Sein Grundprinzip besteht im periodischen Wechsel von Arbeitsspiel und Regeneration. Nitrationen werden von Anionenaustauschern im Arbeitszyklus aufgenommen und während der Regeneration mit Hilfe geeigneter geeigneter Chemikalien wieder abgegeben. Die erste Möglichkeit besteht in der ausschließlichen Anwendung von Anionenaustauschern, wobei Nitrat -(und auch Sulfationen) gegen Chloridionen ersetzt werden. Die zweite Möglichkeit bildet die Nitratelimination über eine Teilentsalzung des Wassers, bei der mittels eines zusätzlich vorhandenen Kationenaustauschers auch die Konzentration an Kationen, insbesondere an Erdalkalien, herabgesetzt wird.
Biologische Nitratelimination
Die biologische Nitratelimination nutzt Mirkoorganismen, die Nitrat und Nitrit als Sauerstoffquelle für ihren Stoffwechsel nutzen. Bei diesem Prozess werden beide Ionen letztlich zu gasförmigem Stickstoff umgesetzt. Die Umsetzung ist mit zwei unterschiedlichen Arten von Bakterien möglich - heterotrophe und autotrophe Bakterien. Die nitratreduzierenden Bakterien wachsen auf geeigneten Oberflächen, auf denen sie zunehmende Biofilme bilden. Trägersubstanzen können sein Styropor, Sand, Bimsstein, Tonmaterialien oder Aktivkohle. Beide Verfahren wurden und werden in Deutschland eingesetzt. Für die heterotrophe Deni werden Ethanol und Essigsäure sowie das Eluat von Stroh eingesetzt, bei der autotrophen Deni ausschließlich Wasserstoffgas.
Die Denitrifikation kann in ab- oder aufwärts durchströmten Reaktoren oder über rotierende Scheibentropfkörper erfolgen. Zur Abtrennung der gebildeten Biomasse müssen Festbettreaktoren rückgespült werden, während fluidisierte Reaktoren und Reaktoren mit rotierenden Scheiben selbstreinigend sind. In allen biologischen Verfahren ist eine sorgfältige Nachaufbereitung des Produktwassers erforderlich, die den Eintrag von Sauerstoff, die Abtrennung der Biomasse sowie eine Desinfektion umfasst.
Membranverfahren
Als Verfahren für die Denitrifikation könne Nanofiltration und Umkehrosmose oder die Elektrodialyse angewendet werden.
Bei der Umkehrosmose kommen permeable Membranen zum Einsatz, die im Idealfall nur Wassermoleküle passieren lassen, die Ionen der gelösten Salze jedoch zurücklassen. Der erforderliche Druck zur Überwindung des osmotischen Drucks werden 10 bis 100 bar benötigt. Es wird in der Regel ein fast vollständig entsalztes Permeat erzeugt.
Elektrochemische und katalytische Denitrifkation
Bei der elektrochemischen Nitratelimination wird vorzugsweise eine konzentrierte Nitratlösung (das Regenerat des Austauschs gegen Chloridionen) durch eine Elektrozelle geleitet, die von einer Kationenaustauschermembran in eine Anolyt- und eine Katholytzelle geteilt wird. Die anodenseitige Zelle enthält Schwefelsäure, die kathodenseitige Halbzelle die nitrathaltige Lösung. Auf der Kathodenseite läuft die elektrochemische Umsetzung des Nitrats zu Nitrit und dann zu elementarem Stickstoff ab. Die elektrochremische Nitratelimination ist in dem NITROUT-Verfahren der schwedischen Firma Vattenfall realisiert. Es ist in einem Wasserwerk in Deutschland eingesetzt.
Die katalytische Nitratelimination beruht auf der Oxidation von Wasserstoff an einem Platin- oder Palladium-Katalysator. Die Reduktion führt zu gasförmigem Stickstoff und zum Ersatz von Nitrationen gegen Hydroxylionen. Der damit verbundene pH-Anstieg wird üblicherweise von Pufferkapazität des Wassers abgefangen. Die katalytische Nitratelimination hat das kommerzielle Niveau noch nicht erreicht. Sie wurde bisher nur im Versuchsbetrieb erprobt.
Zusammenfassung
Nach über 20 Jahren Entwicklungstätigkeit zur Elimination von Nitrat aus Trinkwässern stehen heute mehrere, z.T. bereits im technischen Maßstab erprobte Verfahren zur Verfügung. Alle Verfahren besitzen Vor- und Nachteile. Bei Wässern mit hohem Gesamtsalzgehalt (großer Gehalt an Härtebildnern) scheint eine kombinierte Denitrifikation und Teilentsalzung/-enthärtung sinnvoll. Welches Verfahren letztendlich eingesetzt wird, hängt von einer Reihe von Kriterien ab:
- der Rohwasserzusammensetzung,
- der Zusammensetzung und dem Verbleib des Abwassers,
- der Anlagen- und Arbeitssicherheit,
- der Aufbereitungssicherheit
- der Automatisierung
- sowie der Verfahrenskosten.
All diese Faktoren müssen für jeden Fall geprüft und bewertet werden.
(Quelle: Höll: Methoden zur Nitratentfernung - Stand der Technik. in bbr 1/2006)
