Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Wasser von darin befindlichem Eisen durch Ausfallen des Eisens mit Hilfe von Sauerstoffund durch Hindurchschicken des Wassers durch einen Filtriermaterial enthaltenden Behälter.
Das Wasser in Gewässern und das Grundwasser sind mitunter derart rein, dass sie so wie sie sind dem Verbrauch zugeleitet werden können. Häufig liegt jedoch insbesondere im Grundwasser gelöstes Eisen vor, welches man entfernen muss, ehe das Wasser verwendet werden kann. Herkömmlich wird das Eisen aus dem Wasser in einer Reinigungsanlage entfernt, wo dem Wasser Sauerstoff zugesetzt wird, der das Eisen als Eisenhydroxyd niederschlägt. Der Sauerstoff kann dem Wasser entweder in Form von reinem Sauerstoff zugegeben werden oder durch Belüften des Wassers, indem man dieses durch eine treppenartige Konstruktion hindurchleitet. Anschliessend an das Ausfallen des Eisenhydroxyds wird das Wasser beispielsweise mittels Durchleitens durch eine oder mehrere Sandschichten filtriert.
Dieses herkömmliche Eisenbeseitigungsverfahren hat den Nachteil, dass die Reinigungsanlage hohe Anlagekosten bedingt. Ferner sind damit Betriebskosten verbunden, da die Sandschichten von Zeit zu Zeit zwecks Entfernung des abgesetzten Eisenhydroxyds regeneriert werden müssen.
Ein zweites, besser brauchbares Verfahren zum Entfernen von Eisen aus Grundwasser ist beispielsweise nach der USA Patentschrift 3649533 bekannt. Diesem Verfahren gemäss wird das Eisen bereits aus dem Erdboden ausgefällt Dies erfolgt auf die Weise, dass in die einen Rohrbrunnen umgebende, Grundwasser führende Erdschicht Rohre hineingetrieben werden, durch die man Oxydationswasser in die den Brunnen umgebende Erdschicht hineinführt. Beim Anwenden des Verfahrens sind die Anlagekosten und die Betriebskosten geringer als bei dem herkömmlichen Verfahren, aber immerhin noch einer merklichen Grössenordnung, da die Rohrsysteme verhältnismässig grosse Länge haben und darin eine reichliche Zahl von Ventilen benötigt wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt das Hervorbringen eines Verfahrens, nach dem das Eisen aus dem Wasser mit beträchtlich geringerem Kostenaufwand entfernt werden kann. Ferner wird der Eisenentfemungsprozess völlig beherrschbar, was dagegen bei den zuvor bekannten Verfahren nicht der Fall ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Durchtreiben des Wassers durch den Behälter von Zeit zu Zeit abgestellt wird und dass während dieser Zeit durch einen Teil des Behälters sauerstoffhaltiges Wasser hindurchgeschickt wird.
Es ist wesentlich in der Erfindung, dass nicht durch den ganzen Behälter hindurch sauerstofihaltiges Wasser geschickt wird. Der Zweck ist nämlich, im Filtriermaterial eine Grenzfläche hervorzubringen, auf deren einer Seite das Filtriermaterial bezüglich des Eisens reduzierend und auf der anderen Seite oxydierend ist. Gerade an dieser Grenzfläche leben die Eisenbakterien, an deren Rhizomorphen sich das Eisen niederschlägt. An der Grenzfläche beträgt das Oxydations Reduktionspotential in der Eh-Skala etwa 230 Millivolt. Die Stärke der Grenzfläche ist nur wenige Zentimeter. Wenn das zu reinigende Wasser die Grenzfläche durchfliesst, findet die Eisenfällung praktisch momentan statt. Auf der einen Seite der Grenzfläche ist das Wasser eisenhaltig und auf der gegen überliegenden Seite ist es eisenfrei.
Beim Anwenden des Verfahrens gemäss der Erfindung ist die besagte Grenzfläche nicht stillstehend, sondern sie verschiebt sich so, dass der oxydierte Bereich des Filtermaterials kleiner wird. DieVerschiebung der Grenzfläche ist jedoch sehr langsam und zwar um ein Vielfaches langsamer als was sich an Hand der zugeführten Sauerstoffmenge und der ausgefällten Eisenmenge theoretisch berechnet.
Die langsame Verschiebung der Grenzfläche ist den Eisenbakterien zuzuschreiben, die vermöge eines nicht genauer bekannten Prozesses Eisen' zurückhalten. Mit der Zeit aber verschwindet die Grenzfläche aus dem Filtriermaterial, wobei man dann aufs Neue sauerstoffhaltiges Wasser durch einen Teil des Behälters hindurchgibt.
An das Filtriermaterial werden im erfindungsgemässen Verfahren keine besonderen Ansprüche gestellt. Das Filtriermaterial kann beispielsweise Sand oder eine sonstige lockere Bodenart sein. Auch kann man Kunststoffkörner, Textil- material oder sonstiges desgleichen verwenden, das dem Wasser Durchlass gewährt. Es istjedoch Voraussetzung, dass das Filtriermaterial chemisch inert ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen des vorerwähnten Verfahrens, zu welcher Vorrichtung ein Filtriermaterial enthaltender Behälter gehört, mit einer Eintrittsleitung für das zu reinigende Wasser am einen Ende und einer Austrittsleitung am anderen Ende. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ferner eine Eintrittsleitung und Austrittsleitung für sauerstoffhaltiges Wasser aufweist, die so gelegen sind, dass das sauerstofihaltige Wasser nur einen Teil des Behälters durchläuft.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Beispiels mit Verweis auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, die eine Ausführungsform der Vorrichtung im Längsschnitt darstellt. In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Behälter, der nahezu mit Sand gefüllt ist. An den Behälter schliesst sich in seinem unteren Teil die Eintrittsleitung 2 für das zu reinigende Wasser an, die mit einem Ventil 3 versehen ist. Die Eintritts- leitung endigt im Inneren des Behälters 1 in einem perforierten Rohr 4. Die Austrittsleitung 5 für das zu reinigende Wasser befindet sich im oberen Teil des Behälters 1, und sie ist mit einem Ventil 6 ausgestattet. Ferner befindet sich im oberen Teil des Behälters die mit Ventil 7 versehene Eintrittsleitung 8.
Ungefähr in halber Höhe des Behälters befindet sich die mit Ventil 9 versehene Austrittsleitung 10 für das sauerstoffhaltige Wasser. Diese Austrittsleitung hat ihren Anfang in einem oder mehreren in den Behälter 1 hineinragenden perforierten Rohren 11.
Wenn die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung in Gebrauch genommen und durch die Rohre 2 und 5 Wasser durch dieselbe hindurchgeleitet wird, so erfolgt natürlicherweise keine Ausfällung des Eisens. Zum Zweck der Eisenausfällung werden die Ventile 3 und 6 geschlossen und die Ventile 7 7und 9 geöffnet. Hierbei fliesst dann die oberhalb des Rohrs 11 stehende Wassermenge aus dem Behälter durch das Rohr 10 ab. Gleichzeitig strömt in den Behälter sauerstoffhaltiges Wasser hinein. Das sauerstofihaltige Wasser durchströmt die Sandschicht über dem Rohr 11 und entweicht durch das Rohr 10. Die Sandschicht und die darin im Laufe der Oxydation erschienenen Eisenbakterien binden Sauerstoff derart, dass das durch das Rohr 10 austretende Wasser bis zu einem gewissen Grad sauerstofffrei ist.
Die Menge des sauerstofihal- tigen Wassers ist von seinem Sauerstoffgehalt und von der Menge und Aktivität der entstandenen Bakterienmasse abhängig. Das durch das Rohr 10 austretende sauerstofihaltige Wasser kann auch in das Wasserleitungsnetz geleitet werden.
Nachdem auf diese Weise die Oxydation stattgefunden hat, werden die Ventile 7 und 9 geschlossen und die Ventile 3 und 5 geöffnet, wobei dann zu reinigendes Wasser über die Rohre 2 und 5 durch den Behälterhindurchzufliessen beginnt.
Hierbei erscheint unmittelbar über dem Rohr 11 eine Eisenniederschlagschicht, in der Eisen durch Wirkung der Eisenbakterien ausgefällt wird. Diese Schicht zeigt diejenige Grenzfläche des Oxydations-Reduktionspotentials an, wo die zweiwertigen Eisenionen in dreiwertige übergehen.
Mit weiter fortdauernder Wasserentnahme wächst die Stärke der Eisenniederschlagschicht nach oben, was zu erken nen gibt, dass sich die besagte Grenzfläche nach oben verschiebt. Sobald sich in dem Sand oberhalb des Rohrs 11 durchweg Eisen niedergeschlagen hat, beginnt aus dem Rohr 5 eisenhaltiges Wasser auszutreten, was anzeigt, dass aller Sauerstoff aufgebraucht ist und die Eisenbakterien nicht mehr zu arbeiten imstande sind. In dieser Phase schliesst man die Ventile 3 und 6 und öffnet die Ventile 7 und 9, so dass das im Behälter 1 oberhalb des Rohrs 11 stehende Wasser abfliesst und zugleich in den Behälter 1 sauerstoffhaltiges Wasser hineinströmt, das abermals durch das Rohr 10 in sauerstofffreiem Zustand austritt.
Der Eisenniederschlag im Sand wird nicht entfernt, und dessen Entfernung ist auch nicht wünschenswert, da die Niederschlagschicht die Tätigkeit der Eisenbakterien fördert. Nachdem die Ventile 7 und 9 geschlossen und die Ventile 3 und 6 wieder geöffnet worden sind, erhält man aus dem Rohr 5 wieder eisenfreies Wasser. Jetzt ist die erhältliche Menge von eisenfreiem Wasser bedeutend grösser als das vorige Mal, was auf die lebhaftere Tätigkeit der Eisenbakterien zurückzuführen ist.
Der Vorgang wird in oben beschriebener Weise fortgesetzt, indem man durch den Behälter abwechselnd zu reinigendes Wasser und abwechselnd sauerstoffhaltiges Wasser hindurchschickt. Jedesmal wird sauerstoffhaltiges Wasser in immer längeren Zeitabständen benötigt, so dass es zum Schluss genügt, wenn sauerstoffhaltiges Wasser in Abständen von einigen Wochen gegeben wird. Das Zuführen der genügenden Menge sauerstoffhaltigen Wassers wiederum nimmt nur einige Minu
The present invention relates to a method of purifying water from iron contained therein by precipitating the iron with the aid of oxygen and passing the water through a container containing filter material.
The water in bodies of water and the groundwater are sometimes so pure that they can be used as they are. However, there is often dissolved iron in the groundwater in particular, which must be removed before the water can be used. Conventionally, the iron is removed from the water in a cleaning system, where oxygen is added to the water, which precipitates the iron as iron hydroxide. The oxygen can either be added to the water in the form of pure oxygen or by aerating the water by passing it through a stair-like construction. After the iron hydroxide has precipitated, the water is filtered, for example by passing it through one or more layers of sand.
This conventional iron removal method has the disadvantage that the cleaning system entails high investment costs. Furthermore, operating costs are associated with it, since the sand layers have to be regenerated from time to time in order to remove the deposited iron hydroxide.
A second, more useful method for removing iron from groundwater is known from US Pat. No. 3,649,533, for example. According to this method, the iron is already precipitated from the ground. This is done in such a way that pipes are driven into the groundwater-carrying layer of earth surrounding a pipe well, through which pipes oxidizing water is fed into the layer of earth surrounding the well. When using the method, the installation costs and the operating costs are lower than with the conventional method, but still of a considerable order of magnitude, since the pipe systems are relatively long and a large number of valves are required therein.
The present invention seeks to provide a method by which the iron can be removed from the water at a considerably lower cost. Furthermore, the iron removal process is completely controllable, which is not the case with the previously known methods. The invention is characterized in that the drifting of the water through the container is stopped from time to time and that during this time oxygen-containing water is sent through part of the container.
It is essential in the invention that oxygen-containing water is not sent through the entire container. The purpose is namely to produce an interface in the filter material, on one side of which the filter material is reducing with respect to the iron and on the other side is oxidizing. It is precisely at this interface that the iron bacteria live, on whose rhizomorphs the iron is deposited. At the interface, the oxidation reduction potential on the Eh scale is about 230 millivolts. The thickness of the interface is only a few centimeters. When the water to be purified flows through the interface, iron precipitation takes place almost instantaneously. On one side of the interface the water contains iron and on the opposite side it is iron-free.
When using the method according to the invention, the said interface is not stationary, but rather it shifts so that the oxidized area of the filter material becomes smaller. The displacement of the interface is, however, very slow and indeed many times slower than what is theoretically calculated on the basis of the amount of oxygen supplied and the amount of iron precipitated.
The slow shift of the interface is ascribed to the iron bacteria, which hold back iron due to a process that is not precisely known. Over time, however, the interface disappears from the filter material, and oxygen-containing water is then passed through part of the container again.
In the process according to the invention, no special demands are made on the filter material. The filter material can be, for example, sand or some other type of loose soil. You can also use plastic grains, textile material or other similar items that allow water to pass through. It is, however, a requirement that the filter material be chemically inert.
The invention also relates to a device for carrying out the above-mentioned method, to which device a container containing filter material belongs, with an inlet line for the water to be purified at one end and an outlet line at the other end. The device is characterized in that the container furthermore has an inlet line and an outlet line for oxygen-containing water, which are located such that the oxygen-containing water only passes through part of the container.
The invention is described below using an example with reference to the accompanying drawing, which shows an embodiment of the device in longitudinal section. In the drawing, 1 denotes a container which is almost filled with sand. The inlet line 2 for the water to be purified, which is provided with a valve 3, adjoins the container in its lower part. The inlet line ends inside the container 1 in a perforated pipe 4. The outlet line 5 for the water to be purified is located in the upper part of the container 1, and it is equipped with a valve 6. Furthermore, the inlet line 8 provided with valve 7 is located in the upper part of the container.
The outlet line 10 for the oxygen-containing water, which is provided with valve 9, is located approximately halfway up the container. This outlet line begins in one or more perforated tubes 11 projecting into the container 1.
When the device shown in the drawing is put into use and water is passed through the pipes 2 and 5 through the same, then naturally no precipitation of the iron takes place. For the purpose of iron precipitation, valves 3 and 6 are closed and valves 7, 7 and 9 are opened. The amount of water above the pipe 11 then flows out of the container through the pipe 10. At the same time, water containing oxygen flows into the container. The oxygen-containing water flows through the sand layer above the pipe 11 and escapes through the pipe 10. The sand layer and the iron bacteria appearing in it in the course of the oxidation bind oxygen in such a way that the water exiting through the pipe 10 is free of oxygen to a certain extent.
The amount of oxygen-containing water depends on its oxygen content and the amount and activity of the bacterial mass. The oxygen-containing water exiting through the pipe 10 can also be fed into the water supply network.
After the oxidation has taken place in this way, the valves 7 and 9 are closed and the valves 3 and 5 are opened, the water to be purified then starting to flow through the container via the pipes 2 and 5.
Here, an iron precipitation layer appears directly above the pipe 11, in which iron is precipitated by the action of the iron bacteria. This layer shows the interface of the oxidation-reduction potential where the divalent iron ions change into trivalent.
As water continues to be withdrawn, the thickness of the iron precipitation layer grows upwards, which indicates that the said interface is shifting upwards. As soon as iron has consistently deposited in the sand above the pipe 11, iron-containing water begins to emerge from the pipe 5, which indicates that all oxygen has been used up and the iron bacteria are no longer able to work. In this phase the valves 3 and 6 are closed and the valves 7 and 9 are opened so that the water standing in the container 1 above the pipe 11 flows away and at the same time oxygen-containing water flows into the container 1, which again flows through the pipe 10 in an oxygen-free state exit.
The iron precipitate in the sand is not removed and its removal is also undesirable because the precipitate promotes the activity of iron bacteria. After the valves 7 and 9 have been closed and the valves 3 and 6 have been opened again, iron-free water is obtained from the pipe 5 again. Now the amount of iron-free water available is considerably greater than the previous time, which is due to the livelier activity of the iron bacteria.
The process is continued in the manner described above by alternately sending water to be purified and alternately oxygen-containing water through the container. Each time, oxygen-containing water is required at longer and longer intervals, so that in the end it is sufficient if oxygen-containing water is given at intervals of a few weeks. Adding a sufficient amount of oxygen-containing water only takes a few minutes