Operating criteria for zeolite filtration for ammonium removal from drainage water contaminated with explosive residues

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit werden die Betriebskriterien einer Zeolith-Filtration von Drainagewässern untersucht, die mit Sprengmittelrückständen aus Ausbruchmaterial von Infrastrukturbaustellen belastet sind. Hierbei steht die adsorptive Entfernung von Ammonium durch Klinoptilolith von 1-2,5 mm Korngröße im Zentrum. Die experimentelle Arbeit setzt sich aus zwei Teilen zusammen: Im Rahmen von Schüttelversuchen wurden zunächst Adsorptionsmechanismus und -kinetik beleuchtet, bevor in Säulenversuchen das Durchbruchsverhalten des Filtermaterials unter verschiedenen Bedingungen (Empty Bed Contact Time EBCT, Zulaufkonzentration, Wassermatrix, pH-Änderung, Konzentrations-änderung) untersucht werden konnte. Außerdem wurde das mit Sprengmittelrückständen belastet Abbruchmaterial Schütteltests unterzogen, um die anhaftende Menge an Ammonium mit jenen aus theoretischen Betrachtungen vergleichen zu können. Die Ergebnisse zeigten eine rasche Adsorption zu Beginn des 24 h-Schüttelversuchs, wobei ein Viertel der Endbeladung nach 10 min und mehr als die Hälfte nach 1 h erreicht wurden. Die Adsorption des Ammoniums erfolgt durch Ionenaustausch, wobei Na+ aufgrund analytischer Probleme nicht in die Betrachtung miteinbezogen werden konnte und K+ vor allem in den ersten 10 min einen großen Teil der ausgetauschten Ionen ausmachte. In den Säulenversuchen wurde beobachtet, dass der Durchbruch bei doppelter Zulaufkonzentration fast doppelt so schnell erfolgte, eine Halbierung der EBCT von 16 auf 8,5 min jedoch kaum Auswirkungen auf den Durchbruch hatte. Der Betrieb mit realem Drainagewasser zeigte ein fast um 50% verschlechtertes Durchbruchsvolumen (d.h. behandelbares Abwasservolumen, bis die maximal zulässige Ablaufkonzentration erreicht ist) im Vergleich zu einer Leitungswassermatrix bei sonst gleichen Betriebsbedingungen. Die erreichbare Beladung war ebenfalls um etwa ein Drittel reduziert. Bei einer Steigerung der Zulaufkonzentration nach Erreichen der Sättigung konnte ein weiterer Anstieg der Beladungskapazität beobachtet werden. Das Erhöhen des pH-Werts im Zulauf von 8 auf 10 lieferte keine eindeutigen Ergebnisse, es muss jedoch davon ausgegangen werden, dass es aufgrund einer Verschiebung des Ammoniak-Ammonium-Gleichgewichts in Richtung des ungeladenen Ammoniaks zu Desorption kommt. Die am Abbruchmaterial nachgewiesenen Ammonium-Mengen waren bis zu einer Größenordnung höher als erwartet, wobei die Heterogenität des Abbruchmaterials sowie die sehr eingeschränkte Repräsentativität der untersuchten Proben für die Gesamtheit der Baustelle berücksichtigt werden müssen.

In the objective diploma thesis, operating criteria for zeolite filtration of drainage water contaminated with explosive residues leaching from excavation material from the construction of infrastructure tunnels are investigated. Removal is mainly achieved by the adsorption of ammonium by clinoptilolite with a grain size of 1-2,5 mm. The experimental work is composed of two main parts: In the scope of batch tests, adsorption mechanism and kinetics are researched, before the breakthrough behavior of the filter material under different conditions (Empty Bed Contact Time EBCT, feed concentration, water matrix, change in feed pH and concentration) was investigated. Furthermore, the excavation waste contaminated with explosive residues was subjected to batch tests to determine the adherent amount of ammonium and compare it with theoretical considerations. The results show an initially fast adsorption of ammonium in the beginning of the 24 h batch test, where a quarter of the final loading was reached after 10 min and more than half after 1 h. The observed adsorption mechanism was ion exchange, where K+ was initially responsible for a large amount of the exchanged ions within the first 10 min. Na+ could not be included in the observation due to analytical interference with ammonium. Column tests showed that twice the feed concentration leads to 50% faster breakthrough, whereas halving the EBCT from 16 to 8,5 min had hardly any effect. The operation with drainage water in comparison to the tap water matrix showed a by 50% deteriorated breakthrough volume, the maximum achievable loading was also around a third less. Increasing the feed concentration after saturation proved a further increase in the adsorption capacity. Increasing the feed pH from 8 to 10 showed ambiguous results, but it must be assumed that desorption occurs due to a shift in ammonia/ammonium equilibrium towards the uncharged ammonia. The amount of ammonium on the excavation waste was up to an order of magnitude higher than expected, however, the heterogeneity of the material as well as the limited representativity of the samples for the whole of the construction site has to be considered.