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Beschreibung
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Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel des Menschen.
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Steigende Anforderungen an Qualität und Menge einerseits und zusätzliche
Belastungen des Rohstoffs Wasser durch Industrie und Landwirtschaft andererseits
zwingen zu besonderen Anstrengungen bei der Bereitstellung ausreichender Mengen
an einwandfreiem Trinkwasser.
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In Teilen der Bundesrepublik Deutschland ist besonders in den letzten
Jahrzehnten eine Zunahme der Konzentration von im Grundwasser gelösten Stoffen,
insbesondere Nitraten, beobachtet worden. So wurde im Wasserwerk Mussum der Stadtwerke
Bocholt zwischen den Jahren 1912 und 1981 ein Anstieg der Nitratkonzentration von
15 mg/l auf 85 mg/l gemessen (P. Obermann und J. Salzwedel, Die Grundwasserbelastung
durch Nitrat aus Sicht der öffentlichen Wasserversorgung, Schriftenreihe der Vereinigung
Deutscher Gewässerschutz e.V., Bonn, 1982).
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Zur Sicherung der Gesundheit des Wasserverbrauchers gibt es durch
die Trinkwasserverordnung gesetzlich festgelegte Grenzwerte für Schadstoffe im Trinkwasser.
Der Grenzwert für Nitrat beträgt 90 mg N03/l.
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Eine 1980 verabschiedete Richtlinie der Europäischen Gemeinschaft
(EG-Richtlinie über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch) verpflichtet
die Länder der EG, spätestens vom 15. August 1985 an den Grenzwert für Nitrat im
Trinkwasser auf 50 mg N03/l festzulegen. Als Richtwert werden dort 25 mg NO3/l genannt.
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Bei der hygienisch/toxikologischen Bewertung hoher Nitratgehalte im
Trinkwasser werden folgende Wirkungen (H. Petri, Nitrate und die Trinkwasser-Verordnung,
S.75-91, Verlag E. Schmidt, Berlin, 1976) unterschieden: 1. Primärwirkungen durch
Aufnahme von NO3 in unveränderter Form, d.h. ohne die Wirkung NO3-reduzierender
Bakterien im Körper. Die Wirkungen sind gering (evtl. Reizungen der Darmschleimhaut).
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2. Sekundärwirkungen durch Bildung von Nitrit (NO2) aus Nitrat durch
mikrobiologische Denitrifikation im Magen-und Darmbereich des Menschen.
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Bei Säuglingen in den ersten Lebensmonaten kann es dabei zu einer
nitratbedingten Form der Blausucht (Methämoglobinämie) kommen. Bei dieser Erkrankung
wird durch das im oberen Darmbereich resorbierte N02 das normalerweise im Blut vorhandene
Oxihämoglobin (mit Fe 2+) in Methämoglobin mit (Fe 3+) überführt. Letzteres gibt
den aufgenommenen Sauerstoff nicht mehr ab und führt damit zu einer inneren Erstickung".
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3. Tertiärwirkungen durch Bildung von Nitroso-Verbindungen aus Nitrat/Nitrit
und Aminen/Amiden in Lebensmitteln oder im menschlichen Körper.
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Auch hier kommt es zunächst im Magen zu einer mikrobiologischen Reduktion
des mit der Nahrung und dem Trinkwasser aufgenommenen Nitrats zu Nitrit. Durch Umsetzung
des gebildeten NO2 mit in der Nahrung enthaltenen Aminen können Nitrosamine
und aus Amiden können Nitrosamide
gebildet werden (Alk = Alkylrest).
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Eine cancerogene Wirkung dieser Nitroso-Verbindungen wird beim Menschen
zwar erst-vermutet (z.B. beim Magenkrebs), gilt aber seit Nachweis der cancerogenen
Wirkung dieser Stoffe bei Tieren als sehr wahrscheinlich. Bei Tierversuchen haben
sich organische N-Nitrosoverbindungen als extrem potente und sehr vielseitig wirkende
chemische Carcinogene erwiesen. In Abhängigkeit von ihrer chemischen Struktur, der
Applikationsart, der betroffenen Spezies und der Dosierung können sie in allen wesentlichen
Organen von Säugetieren bösartige Tumore erzeugen.
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Aus den drei genannten Wirkungsweisen geht hervor, daß es im Interesse
einer Vorsorge notwendig ist, die Zufuhr von Nitraten insbesondere aufgrund ihrer
Eigenschaft als Vorläufer von Nitroso-Verbindungen möglichst weitgehend zu verringern.
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Da die Düngung in der Landwirtschaft wesentlich zum erhöhten Nitratgehalt
des Grundwassers beiträgt, besteht eine Möglichkeit der Verringerung der Nitratkonzentration
in der Vermeidung einer überhöhten Düngung. Darüber hinaus müssen aber auch alle
aufbereitungstechnischen Möglichkeiten genutzt werden. Als übliche physikalisch-chemische
Aufbereitungsmethoden sind Ionenaustausch, Umkehrosmose und Elektrodialyse bekannt.
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Nach einem Ionenaustauschverfahren ist die Nitratentfernung beispielsweise
unter Einsatz eines stark basischen Anionenaustauschers, der mit Kochsalz regeneriert
wird, möglich. Bei umfangreichen Untersuchungen wurde festgestellt, daß Ionenaustauscherharze
verkeimen und organische Substanzen abgeben.
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Die Umkehrosmose verlangt im allgemeinen eine Vorreinigung zur Entfernung
von Schwebstoffen und ist darüber hinaus ein sehr aufwendiges Verfahren.
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Diese Überlegungen gelten auch für das Elektrodialyseverfahren, bei
dem im Wasser vorhandene oberflächenaktive Verbindungen, wie nichtionogene oder
anionenaktive Tenside ein erhebliches Problem darstellen.
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Neben dem physikalisch-chemischen Aufbereitungsverfahren existiert
die Möglichkeit einer biologischen Nitratentfernung. Dabei wird von der Tatsache
Gebrauch gemacht, daß bestimmte Mikroorganismen in der Lage sind, organische Substanzen
unter Verwendung von Nitrat als Sauerstoffdonator zu CO2 und Wasser zu oxidieren.
Der dabei ablaufende biochemische Prozeß erfordert jedoch eine ausreichende Phosphatzugabe.
Zur Entfernung der überschüssigen organischen Substanz ist beispielsweise eine aerobe
biologische Reinigung in Mehrschichtfiltern mit anschließender Desinfektion geeignet.
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Bestimmte Bakterienarten können Nitrat zu Ammonium reduzieren, andere
reduzieren Nitrat nur bis zum Nitrit, wieder andere Bakterien reduzieren Nitrat
über Nitrit unter anaeroben Bedingungen zu molekularem Stickstoff. In jedem Falle
entstehen beim Einsatz von Bakterien auch noch bakteriologische und Desinfektionsprobleme.
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Alle bislang eingesetzten Verfahren zur Nitratentfernung sind demnach
technisch aufwendig oder erfordern zusätzliche Vorreinigungen des Wassers oder sind
aus bakteriologischen Gründen bedenklich. Zudem stellen sie ausnahmslos eine erhebliche
finanzielle Belastung dar.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein technisch einfaches und kostengünstiges
Verfahren zur Verbesserung der Trinkwasserqualität zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das aufzubereitende
Wasser mit Rindenmulch in Kontakt gebracht wird.
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Ausgangspunkt der Erfindung war die Beobachtung, daß Grundwasser beim
Durchlaufen einer Rindenmulchschicht einen Teil seiner Härte, die insbesondere durch
Calciumsalze bestimmt wird, verliert. Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, daß
sich durch Kontakt mit Rindenmulch insbesondere der Nitratgehalt im Trinkwasser
verringern läßt.
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Weitere Versuche ergaben, daß unter den verschiedenen Rindenmulch-Arten
Nadelholzmulch, insbesondere Fichtenmulch, besonders gute Ergebnisse bei der Verminderung
des Nitratgehaltes liefert.
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Zur Erzielung des gewünschten Effekts kann das aufzubereitende Wasser
durch eine Mulchschicht sickern, in einem Becken mit einer Mulchschicht stehengelassen
werden oder in Reinigungsanlagen mit Mulch verrührt werden. Je intensiver der Kontakt
zwischen dem aufzubereitenden Wasser und dem Rindenmulch ist und je länger die Berührung
anhält, umso besser ist das erzielte Ergebnis.
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Überraschenderweise wurde auch gefunden, daß sich die Fähigkeit des
Rindenmulch zur Nitratentfernung aus Wasser und zur Verringerung der Wasserhärte
nach einer relativen Erschöpfung durch verdünnte Salzsäure leicht regenerieren läßt.
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Der Regenerationsprozeß kann mehrfach wiederholt werden.
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Nach der vierten oder fünften Regenerierung läßt allerdings der Effekt
der Nitratentfernung deutlich nach.
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Eine wissenschaftliche Erklärung für die beschriebene Einwirkung von
Rindenmulch auf den Nitratgehalt des Wassers wurde bislang-nicht gefunden. Es hat
jedoch den Anschein, als würde das im aufzubereitenden W-asser gelöste Nitrat durch
die Berührung mit dem Rindenmulch zumindest zum Teil zu Ammoniak reduziert. Der
im aufbereiteten Wasser als Ammoniak vorliegende Stickstoff reicht jedoch nur aus,
um den Verbleib eines Teils des Nitratstickstoffs zu erklären. Ob die verbleibenden
Nitratstickstoffanteile am oder im Rindenmulch gebunden oder zu Stickstoff reduziert
werden, konnte bislang noch nicht zuverlässig geklärt werden. Sicher ist dabei lediglich,
daß durch die Behandlung des nitrathaltigen Trinkwassers mit dem Rindenmulch kein
Nitrit und keine Nitrosamine in das Trinkwasser eingeführt werden.
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Rindenmulch" im Sinne der Erfindung ist dabei im gebräuchlichen landwirtschaftlich-gartenbautechnischen
Verständnis ein schüttfähiges stückiges Material, das zumindest im wesentlichen
aus Baumrindenstücken besteht und gegebenenfalls bis zu ungefähr 10 % Holzanteile,
gegebenenfalls auch Nadel-, Stroh- oder Laubanteile, enthalten kann. Ein solcher
Rindenmulch wird durch zerkleinern des beim Schälen gefällter Bäume anfallenden
Borken- und Rindenguts hergestellt. Dementsprechend weist ein solcher Rindenmulch
eine stark heterogene Teilchenstruktur auf. Üblicherweise liegt der Rindenmulch
als ein Gemisch fasriger, splittriger und flächjer, meist gekrümmt flächiger Materialteilchen
vor, die größte Längenausdehnungen im Bereich von ungefähr 0,5 bis 5 cm aufweisen.
Entscheidend im Sinne der Erfindung ist dabei jedoch, daß das hier als Rindenmulch
bezeichnete Material aus dem beim Rinden- und Borkenschälen von Bäumen, insbesondere
Nadelbäumen, anfallenden Schälgut durch Grobzerkleinern gewonnenes Schüttgut ist.
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Die nachstehend beschriebenen Beispiele erläutern die Erfindung.
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Beispiel 1 In einem Becherglas wurde über einer Schicht von 50 g
Fichtenrindenmulch jeweils 1 1 Frischwasser für einen Zeitraum von 24 h, 48 h und
72 h stehen gelassen. Anschließend wurdz der Nitratgehalt, der ursprünglich bei
50 mg/l lag, erneut gemessen. Alle Versuche wurden mit derselben Mulchprobe, aber
jeweils mit einer neuen Frischwasserprobe angesetzt.
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24 h 48 h 72 h (NO3 mg/l) (NO3 mg/l) (NO3 mg/l) 10,3 5,0 1,1 11,3
2,3 0,9 7,2 1,5 0,8 10,5 1,2 0,7 15,0 4,2 1,5 11,5 3,2 1,0 13,0 1,4 0,5 Diese Versuchsreihe
zeigt, daß der Nitratgehalt des Wassers mit steigender Kontaktzeit mit Rindenmulch
abnimmt.
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Beispiel 2 Eine Schicht von 50 g Rindenmulch wurde mit jeweils 1
1 Wasser in einem Becherglas für einen Zeitraum von 24 h stehen gelassen. Der ursprüngliche
Nitratgehalt wurde zu etwa 50 mg N03/l bestimmt; die ursprüngliche Gesamthärte betrug
18,00 d.H. Alle Versuche wurden mit derselben Mulchprobe, aber jeweils mit neuem
Frischwasser angesetzt. Die insgesamt eingesetzte Wassermenge betrug also 10 1 Frischwasser.
Der Rindenmulch entfernte auch nach einer Standzeit von 10 Tagen noch immer Nitrat
aus Wasser.
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Nitrat Gesamthärte Versuchs-Nr. (NO3 mg/l) °d.H.
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1 35,0 11,0 2 15,4 13,1 3 15,1 14,5 4 18,5 15,4 5 19,8 16,3 6 23,6
17,0 7 28,3 17,2 8 27,3 16,0 9 25,6 16,5 10 30,6 17,0 Diese Versuchsreihe zeigt,
daß der Rindenmulch bei mehrfachem Einsatz ein Maximum seiner Fähigkeit zur Nitratentfernung
aufweist und anschließend diese Eigenschaft schwächer wird. Hinsichtlich der Verringerung
der Gesamthärte ist die maximale Wirksamkeit beim ersten Versuch gegeben.
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Beispiel 3 Durch eine 200 g schwere Rindenmulchschicht in einem Glaszylinder
mit Entnahwehn wurde pro Versuch jeweils 1 1 Wasser innerhalb vDn ca. 5 Munrten
hindurchgeschickt mit Ausnahme der Versuche 8 und 13.
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Es kam immer dieselbe Mulchprobe zum Einsatz, jedoch mit neuen Frischwasserproben
bei jedem Versuch. Der ursprüngliche Nitratgehalt des Wassers betrug 50 mg NO3/l,
die ursprüngliche Gesamthärte lag bei 18,50 d.H., die ursprüngliche Carbonathärte
bei 12,90 d.H. Der Mulch ist dabei wiederum ein vor der Forstwirtschaft bezogener,
handelsüblicher Fichtenrindenmulch.
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Wasser- Gesamt- Carbonat-Versuchs- menge Nitrat härte härte Nr. (l)
(NO3 mg/l) (Od.H.) (°d.H.) 1 1 40 11,0 7,3 2 1 42 10,4 7,6 3 1 42 10,4 7,0 4 1 39
10,4 7,6 5 1 40 13,0 9,8 6 1 40 11,0 7,6 7 1 32 11,0 8,1 8 30 44 15,0 10,0 9 1 37
14,0 11,0 10 1 38 14,0 9,0 11 1 38 15,0 9,5 12 1 38 15,3 9,6 13 100 46 16,8 11,2
Diese Versuchsreihe demonstriert, daß die Mulchschicht auch im 13. Versuch, d.h.
bei Durchlauf von 141 1 Wasser, noch immer eine meßbare Nitratentfernung aus dem
Wasser bewirkt.
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Beispiel 4 2000 g Rindenmulch wurden in einer mit jeweils 40 1 Wasser
gefüllten Kunststoffwanne stehen gelassen. Auch hier wurden alle Versuche mit derselben
Mulchprobe durchgeführt. Der ursprüngliche Nitratgehalt betrug 50 mg NO3/l; die
ursprüngliche Gesamthärte betrug 18,50 d.H. Als Mulch wird ein Fichtenrindenmulch
mit ca. 10 Gew.-% Holzanteilen verwendet.
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Versuch a) - Zugabe von 40 1 Wasser Standzeit Nitrat Gesamthärte (h)
(NO3 mg/l) (Od.H.) 2 48 16,8 4 45 14,0 6 45 13,5 24 21 12,8 30 18 13,0 48 S,9 11,5
Versuch b) - Neue Wasserzugabe von 40 1 6 38 16,0 24 4,5 15,0 Versuch c) - Neue
Wasserzugabe von 40 1 6 36 15,1 24 7,0 15,9 Versuch d) - Neue Wasserzugabe von 40
1 6 36 16,0 24 15 16,4 Versuch e) - Neue Wasserzugabe von 40 1 6 38 16,8 24 18 17,0
Versuch f) - Neue Wasserzugabe von 40 1 6 35 17,0 24 16 17,4
Versuch
g) - Neue Wasserzugabe von 40 1 Standzeit Nitrat Gesamthärte (h) (NO3 mg/l) (°d.H.)
6 36 17,2 24 17 17,6 Versuch h) - Neue Wasserzugabe von 40 1 6 39 17,4 24 18 17,4
Die insgesamt eingesetzte Frischwassermenge betrug 320 1.
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Diese Versuchsreihe zeigt, daß auch bei mehrmaligen Probendurchgängen
das Rindenmulch noch eine wesentliche Verringerung des Nitratgehaltes bewirkt. Das
gilt insbesondere bei 24-stündigem Kontakt der Wasserprobe mit dem Rindenmulch.
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Dagegen nimmt die Fähigkeit zur Wasserenthärtung deutlich ab.
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Beispiel 5 In einem weiteren Versuch wurde eine Wasserprobe dem Leitungswasser
entnommen und anschließend über eine Mulchschicht für 48 h stehen gelassen. Vor
und nach dem Kontakt mit der Mulchschicht wurde eine Reihe von physikalischchemischen
Parametern ermittelt:
vor Mulch-Kontakt nach 48-stündigem Mulch-Kontakt
pH-Wert 7,30 6,90 Leitfähigkeit bei 200C (S/cm) 600 505 Gesamthärte (°dGH) 18,3
8,4 Chlorid (mg Cl /1) 33,3 40,0 Nitrat (mg NO3 /l) 54,2 6,4 Natrium (mg Nu /1)
14,8 14,6 Kalium (mg K+/l) 2,06 48,0 Cadmium (mg Cd/l) 0,0003 0,0012 Blei (mg Pb/l)
0,003 <0,001 Zink (mg Zn/l) 0,07 0,05 Den obigen Analyseergebnissen ist insbesondere
die Fähigkeit des Rindenmulches zur Verringerung des Nitratgehaltes und der Verringerung
der Gesamthärte des Wasser zu entnehmen. Daneben steigt der Kaliumwert in auffälliger
Weise.
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Beispiel 6 In einem weiteren Versuch wurde die Regenerationsfähigkeit
des Rindenmulches überprüft. Dazu wurde eine mit Calcium und Magnesium gesättigte
Mulchprobe kurzzeitig mit 10 %-iger Salzsäure getränkt. Anschließend wurde die Mulchprobe
bis zur neutralen Reaktion mit Frischwasser gewaschen. Sodann wurde 1 1 Wasser auf
die Probe gegeben.
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In einem Parallelversuch wurde eine gleiche Rindenmulchprobe ohne
die HCl-Aufbereitung in gleicher Weise eingesetzt.
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«) Mit HC1 aufbereitete Rindenmaleh- B) Nicht aufbereitete Rindeneulchprobe
probe Zeit Gesamtharte Carbonathärte Zeit Gesamthärte Carbonathärte (h) (°d.H.)
(°d.H.) (h) (°d.H.) (°d.H.) 1 10,2 5,6 1 18,0 14,0 2 8,2 2,6 2 18,0 14,0 3 7,0 2,3
3 18,0 14,0 4 6,5 2,0 4 17,9 14,0 5 5,6 1,8 5 18,0 13,9 6 5,8 1,8 6 17,9 13,8 7
6,0 1,9 7 18,1 13,8 8 6,5 2,3 8 18,0 13,8 Erneute Behandlung des Rinden- Keine Aufbereitung;
erneute mulches mit 10 %-iger Salzsäure; Zugabe von 1 1 Frischwasser Neutralisation;
Zugabe von 1 1 Frischwasser 1 11,5 7,1 1 18,0 14,0 2 9,6 3,5 2 18,0 14,0 3 7,6 3,4
3 17,9 14,0 4 7,4 3,3 4 18,0 14,0 5 7,1 3,1 5 17,9 13,9 6 6,8 2,9 6 17,8 13,8 7
6,5 2,5 7 17,8 13,6 8 7,2 3,1 8 17,8 13,5 Erneute Behandlung des Rinden- Keine Aefbereitung;
erneute mulches mit 10 %-iger Salzsäure; Zugabe von 1 1 Frischwasser Neutralisation;
Zugabe von 1 1 Frischwasser 1 13,4 8,4 1 18,0 13,9 2 11,4 7,8 2 17,8 13,8 3 11,4
8,0 3 17,9 13,8
Zeit Gesamthärte Carbonathärte Zeit Gesamthärte
Carbonathärte (h) (°d.H.) (°d.H.) (h) (Od.H.) (°d.H.) 4 11,6 8,3 4 17,9 13,8 5 12,0
8,5 5 17,9 13,7 6 12,1 8,4 6 17,8 13,7 7 12,5 9,0 7 17,8 13,7 8 12,8 9,3 8 17,8
13,6 Diese Versuchsreihe zeigt, daß ein mit Calcium- und Magnesiumsalzen gesättigtes
Rindenmulch mehrfach mit verdünnter Salzsäure wieder aufbereitet werden kann, um
anschließend erneut die Wasserhärte zu verringern.
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Der Parallel-Versuch ohne Wiederaufbereitung mit Salzsäure zeigt,
daß ohne die HCl-Behandlung die Fähigkeit des Rindenmulches zur Wasserenthärtung
erschöpft ist.
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Der nicht mehr aufbereitungsfähige Rindenmulch läßt sich ausgezeichnet
als Düngemittel verwenden, wobei ein weiterer Vorteil dadurch gegeben ist, daß dieses
Dünqemittel sich gut in den Kreislauf der Natur einfügt.
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Die vorstehenden Versuche wurden, wo angegeben, mit Fichtenrindenmulch,
im übrigen mit einem Nadelholz-Rindenmulch gemischter Provenienz durchgeführt. In
kleinerem Maßstab mit Rindenmulch von Laubbäumen durchgeführte Versuche führen zu
vergleichbaren Ergebnissen.
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Bei allen vorstehenden Versuchen wird weiterhin von einem absolut
ammoniakfreien Wasser ausgegangen. Nach der Behandlung enthalten die Wasserproben
Ammoniak in einer Konzentration im Bereich von ungefähr 1 bis 4 mg NH3 pro Liter,
wobei diese Ammoniakanteile problemlos in an sich bekannter und gebräuchlicher Weise
aus dem Wasser entfernbccr sin(i , beispielsweise katalytisch.