| Investigations on the filtration process supported by dosing small amounts of Fe(III) salts during the treatment of surface water |
Schlüsselwörter:
Wasseraufbereitung, Partikelentfernung, Fe(III)-unterstützte Filtration, Filtersand-Konditionierung, Calcium, Wirkungsweise, Modellvorstellung
water treatment, particle removal, Fe(III)-assisted filtration, filter media conditioning, calcium, mechanism, modeling
Sachgruppe der DNBAbstract
Improved removal of suspended matter during treatment of water from Lake Constance has been achieved by pre-ozonation (ozone dosage approx. 1.0 mg/L corresponding to 0.8 mg ozone/mg DOC) and the addition of small quantities of iron salts (0.1 mg/L or below) followed by rapid sand filtration. Since this result cannot be explained by well-known coagulation theories this work will describe the mode of action of "Fe(III)-assisted filtration" and its basic design criteria.
With respect to the mechanisms of the improved solid-liquid separation process the formation of colloidal hydroxide in raw water could be recognized 20 to 30 minutes after dosing the small amounts of ferric chloride. The precipitation products whose size was estimated at 100 - 800 nm were at least partially covered with natural organic matter (NOM) and showed a strong surface affinity especially to quartz sand. Consequently, the ferric colloids created a coating layer on the sand grains (filter media conditioning) and induced a better attachment of particulate substances. Due to the fact that electrostatic repulsion could be neglected, and that the surface structure of the "Fe coating" did not display a substantially increased roughness, the high removal rates had to be achieved mainly by chemical interactions between ferric hydroxide covered sand grains, dispersed solids, and other components. In this context, the water hardness and the degree of oxidation of NOM after a pre-ozonation proved to be most important.
Finally, the experimental results and the conclusions concerning the process mechanisms could be verified using theoretical models for deep bed filtration and a separate "adhesion force analysis" in a mixing reactor. Thus, this work delivers both some design criteria and a tool to judge the functionality of Fe(III)-assisted filtration for the treatment of surface waters in different applications.
Bei der Aufbereitung von Bodenseewasser wurde Eisen(III)-haltiges Flockungsmittel vor einer nachfolgenden Sandfiltration eingesetzt, um eine weitergehende Partikelentfernung zu erreichen. Dabei haben Untersuchungen an einer halbtechnischen Pilotanlage gezeigt, dass - in Verbindung mit einer Vorozonung (Ozondosis ca. 1,0 mg/L) - bereits sehr geringe Fe-Zugabemengen (<= 0,1 mg/L) zur Abtrennung von über 99 % der suspendierten Feststoffe ausreichten. Da dieses Resultat aber nicht mit bekannten Ansätzen der Flockungstheorie erklärt werden konnte, sollte in dieser Arbeit die Wirkungsweise der "Fe(III)-unterstützten Filtration" eingehend studiert und Anwendungskriterien für dieses effiziente Verfahren erarbeitet werden.
Zum Mechanismus der verbesserten Trübstoffabtrennung konnte dargelegt werden, dass sich nach der geringen Fe(III)-Dosierung im Filterüberstau überwiegend eisenhaltige Kolloide mit einer Größe von etwa 100 – 800 nm bildeten, die zumindest partiell mit organischen Stoffen beladenen waren. Die Fällungsprodukte wiesen eine hohe Oberflächenaffinität auf und lagerten sich bevorzugt am Quarzsand an (Filterkonditionierung). In der Folge bewirkten sie eine verstärkte Deposition der natürlichen Trübstoffe, wobei vor allem chemische Wechselwirkungen zwischen dem Eisenhydroxid-bedeckten Quarzsand, den dispergierten Teilchen und sonstigen Wasserinhaltsstoffen (Erdalkali-Ionen, organische Komponenten) als relevant erschienen. Als wesentliche Einflussparameter haben sich der Oxidationsgrad des natürlichen organischen Materials (NOM) nach einer Vorozonung und die Wasserhärte (vor allem der Calciumgehalt) erwiesen.
Eine Verifizierung der Ergebnisse bzw. der daraus abgeleiteten Mechanismen gelang schließlich mit Hilfe modelltheoretischer Betrachtungen zur Tiefenfiltration (Modellansatz von GIMBEL [1978, 1984]) sowie einer separaten "Haftkraftanalyse" im Rührreaktor. Insgesamt sind damit nun die Voraussetzungen geschaffen, um die Zweckmäßigkeit des vorgestellten Verfahrenskonzepts zur Aufbereitung von Oberflächenwässern im jeweiligen Anwendungsfall beurteilen zu können.
| Betreuer | Jekel, Martin; Prof. Dr. |
| Gutachter | Jekel, Martin; Prof. Dr. |
| Gutachter | Boller, Markus; Prof. Dr. |
| Gutachter | Stabel, Hans-Henning; Dr. |
| Upload: | 2001-06-22 |
| URL of Theses: | http://edocs.tu-berlin.de/diss/2000/winzenbacher_rudi.pdf |