Wasseraufbereitung bei hoher Nitratbelastung (NO₃⁻)

Abschnitte

1. Das Problem von NO₃⁻ im Zulaufwasser
2. Behandlung von Wasser mit hohem Nitratgehalt
3. Konzentration von Rückständen durch Vakuumverdampfung
4. Fazit

Das Problem von NO₃⁻ im Zulaufwasser

Die Wasserverschmutzung, sowohl von Oberflächen- als auch von Grundwasser, durch hohe Nitratkonzentrationen ist ein weit verbreitetes und wachsendes Problem. Diese Verschmutzung wird hauptsächlich durch den massiven Einsatz von Stickstoffdüngern und eine schlechte Güllebewirtschaftung in Viehzuchtbetrieben verursacht.

Der Konsum von Wasser mit hohen Nitratkonzentrationen stellt ein Gesundheitsrisiko dar, insbesondere für Kinder und ältere Menschen, da er eine Krankheit verursacht, die durch die Hemmung des Sauerstofftransports im Blut gekennzeichnet ist (Methämoglobinämie). Zusätzlich können Nitrate potenziell krebserregende Verbindungen bilden.

Bezüglich der Umwelt stehen wir vor der Eutrophierung von Oberflächengewässern, das heißt der Zunahme von Nährstoffen im Wasser (Stickstoff und Phosphor), die ein schnelles Wachstum von Phytoplankton und anderen aquatischen Pflanzenarten im Wasser verursacht. Die Eutrophierung kann auch die Verbreitung invasiver Arten fördern und die Vegetation erheblich erhöhen.

Dieses Wachstum kann invasiv sein und zu Blüten führen, die die Wasserqualität durch die Entwicklung von cyanotoxinproduzierenden Bakterien negativ beeinflussen können.

Die Schwebstoffe nehmen zu und verhindern das Eindringen von Licht in tiefere Schichten, was den gelösten Sauerstoff reduziert. Schlechte Gerüche entstehen durch die Emission von Methan und Schwefelwasserstoff. Das Volumen organischer Schlämme nimmt ebenfalls zu, und Anoxie kann zum Tod vieler Fische führen.

Es gibt gesetzliche Regelungen und Grenzwerte bezüglich der Nitratkonzentration, sowohl im Trinkwasser als auch im Bewässerungswasser.

Bezüglich Trinkwasser legt die europäische Gesetzgebung (Richtlinie 91/676/EWG) fest, dass die maximal zulässige Nitratkonzentration im Wasser für den menschlichen Gebrauch 50 mg/l beträgt. Es ist jedoch vorgesehen, einen niedrigeren Grenzwert von etwa 10 mg/l für eine höhere Gesundheitssicherheit festzulegen.

Für Wasser, das zur Bewässerung bestimmt ist, gibt es Richtlinien, um eine Wasserverschmutzung durch die Anwendung stickstoff- und phosphorreicher Düngemittel zu vermeiden. Die beigefügte Tabelle zeigt indikative Analysengrenzwerte für Bewässerungswasser:

Die wichtigsten Parameter bei der Bewertung der Wasserqualität für die Bewässerung sind:

• pH-Wert, der die Säure oder Alkalität des Wassers angibt.
• Elektrische Leitfähigkeit, die die Gesamtmenge der im Wasser gelösten Salze misst.
• Nitrat- und Phosphatwerte, da hohe Werte Eutrophierung verursachen können.
• Wasserhärte, bestimmt durch die Konzentration von Calcium und Magnesium.
• Natriumgehalt, da ein hoher Gehalt für einige Pflanzen schädlich sein kann.
• Vorhandensein chemischer und biologischer Kontaminanten wie Schwermetalle, Pestizide und Krankheitserreger.

Behandlung von Wasser mit hohem Nitratgehalt

Nitrat ist ein stabiles Anion und hoch wasserlöslich. Es gibt physikalisch-chemische Methoden, die eine effektive Entfernung von Nitraten aus kontaminiertem Wasser ermöglichen.

Ionaustausch

Unter den verfügbaren Technologien sticht die Behandlung mittels Ionenaustausch (IX) hervor, die Säulen mit anionischen Harzen verwendet, die darauf ausgelegt sind, Nitrat-Ionen (NO₃⁻) gegen Anionen wie Chlorid (Cl⁻) oder Bicarbonat (HCO₃⁻) auszutauschen, die im Harz vorhanden sind. Nach der Sättigung wird das Harz mit einer konzentrierten Lösung aus Natriumchlorid oder Natriumbicarbonat regeneriert, wodurch ein Abwasser mit hoher Salzkonzentration entsteht.

Ionenaustauschanlagen sind kompakt, produzieren Wasser von hoher Qualität und haben relativ erschwingliche Betriebskosten. Nachteilig ist der hohe Verbrauch an Regeneriermitteln und die Erzeugung eines Regenerationsabwassers, das sowohl die verdrängten Nitrate als auch das überschüssige Regeneriermittel enthält.

Die Austauschkapazität dieser Harze ist relativ gering (etwa 0,5 meq/L), sodass bei steigender Nitratkonzentration größere Säulen oder häufigere Regenerationszyklen erforderlich sind.

Aus diesen Gründen wird der Ionenaustausch besonders als Nachbehandlung zur Entfernung von Restnitrat nach Hauptbehandlungen wie der Trennung durch Umkehrosmosemembranen angesehen.

Umkehrosmose

Die Umkehrosmose (RO) ist eine sehr effiziente Technologie zur Entfernung von Nitraten aus Wasser. Diese Technologie übt Druck auf kontaminiertes Wasser aus, um es durch eine halbdurchlässige Membran zu pressen, die die meisten gelösten Stoffe, einschließlich Nitrate, zurückhält. Diese Technologie bietet folgende Vorteile:

• Hohe Nitratentfernungsrate (>90%).
• Erfordert keine Zugabe von Chemikalien (außer denen, die bei der Vorbehandlung gegebenenfalls angewendet werden).
• Erzeugt Wasser von hoher Qualität.

Nachteile sind die Energiekosten für das Pumpen des Wassers durch die Membranen und die Empfindlichkeit gegenüber Fouling, was eine Vorbehandlung zur Vermeidung vorzeitiger Membranverunreinigung erfordert.

In diesem Zusammenhang haben wir als Beispiel eine Analyse von Brunnenwasser mit hoher Nitratbelastung und geringer Trübung herangezogen. Das durch Umkehrosmose behandelte Wasser kann für Bewässerung oder Trinkwasserversorgung verwendet werden, wenn es mit einer geeigneten Nachbehandlung ergänzt wird.

Tabelle der Wasserqualität von Roh- und Umkehrosmose-behandeltem Wasser
Parameter	Einheit	Brunnenwasser	Bewässerungswasser – empfohlene Grenzwerte	Osmotisiertes Wasser
Ca⁺⁺	mg/l	159	400	0.15
Mg⁺⁺	mg/l	75	60	0.1
Na⁺	mg/l	350	900	20
K⁺	mg/l	10		0.6
HCO₃⁻	mg/l	300	600	10
SO₄⁻²	mg/l	250	1000	1.5
Cl⁻	mg/l	650	1100	15
NO₃⁻	mg/l	120	30	15
TSM	mg/l	1924	2000	62
Leitfähigkeit	μS/cm	2750	3000	90
pH	–	7	6,5 – 8,5	5,6
Trübung	NTU	≤ 10		≤0,1
SS	mg/l	20		≤0,1
OM	mg/l	≤10		≤1
Öle und Fette	mg/l	≤2		≤0,1

Es gibt weitere vielversprechende Behandlungen zur Nitratentfernung, die keine Restströme erzeugen wie physikalisch-chemische Verfahren, insbesondere biologische Denitrifikation und katalytische Denitrifikation, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.

Konzentration von Rückständen durch Vakuumverdampfung

Umkehrosmose ist eine gute Lösung zur Behandlung von Wasser mit hohem Nitratgehalt, erzeugt jedoch einen Schadstoffkonzentrat, bekannt als RO-Ableitung, das aufgrund seiner hohen Schadstoffkonzentration ordnungsgemäß behandelt werden muss.

Eine effektive Lösung zur Behandlung der aus der Umkehrosmose resultierenden Sole ist die Vakuumverdampfung, eine thermische Technologie, die es ermöglicht, flüssige Rückstände bis auf ein minimales Volumen zu konzentrieren. Der Prozess besteht aus:

• Reduzierung des Systemdrucks, um den Siedepunkt des Wassers zu senken (in der Regel unter 50 °C).
• Anwendung von Wärme zur Verdampfung des Wassers, das dann als Destillat kondensiert.
• Konzentration der Rückstände in einer kleineren flüssigen Fraktion oder sogar fest, die als kontrollierter Industrieabfall behandelt werden kann.

Dieses System ermöglicht die Rückgewinnung von bis zu 95 % des im Umkehrosmose-Ableitwasser enthaltenen Wassers und reduziert das Volumen der Rückstände erheblich.

Die Vakuumverdampfung erlaubt die Behandlung komplexer Gemische, die mit konventionellen Techniken nicht möglich ist, und liefert qualitativ hochwertiges Wasser sowie einen hochkonzentrierten Rückstand, der leicht zu handhaben ist.

Das Sortiment an Vakuumverdampfern von Condorchem Envitech umfasst die wichtigsten Typen dieser Anlagen:

• Niedertemperatur-Vakuumverdampfer mit Wärmepumpe
• Hochtemperatur-Vakuumverdampfer mit mechanischer Dampfkompression
• Mehrfacheffekt-Vakuumverdampfer
• Kristallisatoren

Kristallisatoren werden üblicherweise als letzte Behandlungsphase eingesetzt, um den Sole-Rückstand vollständig zu trocknen.

In einigen Fällen ist die effizienteste Lösung die Kombination beider Technologien, insbesondere wenn Membranfiltrationstechnologien nicht ausreichen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, und eine Erweiterung der Behandlung durch Verdampfung und/oder Kristallisation erforderlich ist.

Vorteile des kombinierten Verfahrens

Die Integration von Umkehrosmose mit Vakuumverdampfung bietet eine robuste und nachhaltige Lösung zur Behandlung von Wasser mit hohem Nitratgehalt. Die Hauptvorteile sind:

• Produktion von sicherem Trinkwasser.
• Minimierung des Abfallvolumens.
• Möglichkeit der Wiederverwendung des behandelten Wassers für andere Zwecke (Bewässerung, Industrie usw.).
• Einhaltung der Einleitvorschriften und Reduzierung der Umweltbelastung.

Vakuumverdampfer mit Zwangsumlauf werden häufig verwendet, um salzhaltige Ableitungen mit hohem Nitratgehalt aus einem Umkehrosmosesystem zu konzentrieren.

Wenn das Ziel die Optimierung des Energieverbrauchs ist, können folgende Verdampfertypen eingesetzt werden:

• Mehrfacheffekt-Verdampfer, die den Dampf des ersten Effekts zur Beheizung der folgenden Effekte nutzen und so den Energieverbrauch reduzieren.
• Verdampfer mit mechanischer Dampfkompression (MVC), die komprimierten Dampf als Wärmequelle wiederverwenden und ideal für die Behandlung mittlerer Volumina mit hoher Energieeffizienz sind.

Das Verdampferkonzentrat (auch als konzentrierter Rückstand oder Restsole bezeichnet) enthält Nitrate und andere Salze, die in vorherigen Stufen nicht entfernt werden konnten. Die endgültige Entsorgung dieses Rückstands hängt von mehreren Faktoren ab:

• Volumen des Rückstands.
• Lokale Vorschriften.
• Art der Kontaminanten.
• Verfügbares Budget.

Die gebräuchlichsten Optionen sind:

• Das Konzentrat in Tanks oder Behältern lagern und an einen autorisierten Gefahrstoff- oder Sonderabfallentsorger übergeben, falls bestimmte Toxizitätswerte überschritten werden (z. B. hohe Nitrat- oder Schwermetallwerte). Dies ist eine sichere und regulierte Option, allerdings mit hohen Kosten pro Tonne, weshalb es Priorität hat, die Schlammkonzentration so weit wie möglich zu erhöhen.
• Wenn dem Verdampfer eine Kristallisationsstufe folgt, können Salze in fester Form zurückgewonnen werden. Diese Salze können, sofern inert oder verwertet, für Sekundärverwendungen (wie Düngemittel) bestimmt oder auf einer kontrollierten Deponie entsorgt werden.

Fazit

Zusammenfassend sind Nitrate hochlösliche Salze, die schwer aus Wasser zu trennen sind, sowohl in natürlichen Quellen als auch in Abwässern. Im Fall von Wasser für den menschlichen Gebrauch ist es unerlässlich, sie auf akzeptable Werte zu reduzieren, um die Gesundheit zu schützen, angesichts der nachgewiesenen schädlichen Wirkungen. Ebenso ist die Sicherstellung der Qualität des für die Bewässerung verwendeten Wassers essenziell, da sie direkt die Pflanzengesundheit, den Ernteertrag und folglich die landwirtschaftliche Wirtschaft beeinflusst.

Bezüglich Einleitungen ist die Einhaltung der Vorschriften zu maximalen Nitratgrenzwerten unerlässlich, um Eutrophierungsphänomene zu vermeiden. Diese können zu biologischen Überbevölkerungsprozessen und massiven Blüten führen, mit negativen Folgen für das Gleichgewicht des aquatischen Ökosystems.

Die heute am häufigsten verwendeten Lösungen umfassen die Filtration mittels Umkehrosmosemembranen, ergänzt, falls erforderlich, durch spezifische Ionenaustauscherharze zur Entfernung von Restnitrat.

Die in diesen Prozessen erzeugten Rückstände weisen eine hohe Schadstoffkonzentration auf, einschließlich der Nitrate selbst, weshalb sie vor der Entsorgung auf zugelassenen Deponien ordnungsgemäß behandelt werden müssen. In diesem Zusammenhang sind Vakuumverdampfung und/oder Kristallisation als effektive Technologien zur Minimierung des Volumens dieser Rückstände hervorzuheben.

Abschließend sei daran erinnert, dass die beste Behandlung immer Prävention ist. Die verantwortungsvolle Anwendung von Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Böden und die ordnungsgemäße Kontrolle von kommunalen und industriellen Abwässern sind grundlegend, um Nitratkontaminationen an der Quelle zu vermeiden.

Bibliographie und Referenzen:

Hydranautics – A Nitto Group Company, IMSDesign

Wasserqualitätstabelle für Bewässerung: Wesentlicher Leitfaden zur Optimierung der Pflanzengesundheit | Water Institute

Wasserentsalzung durch Vakuumverdampfungssysteme | Condorchem Enviro Solutions

Wasserqualität für Bewässerung: Komplettleitfaden zur Sicherstellung gesunder und nachhaltiger Kulturen | Water Institute

Aktuelle Behandlungen zur Nitratentfernung – El Agua