Ernst, MathiasMathiasErnst11382055670000-0001-9282-6683Benne, PaulPaulBenne2024-11-202024-11-202024Technische Universität Hamburg (2024)https://hdl.handle.net/11420/49934Einige Wasserversorgungsunternehmen in Deutschland verzeichnen eine zunehmende Sulfatbelastung ihrer Rohwasserressourcen und sind hinsichtlich des Trinkwasserverordnung-Grenzwertes von 250 mg/L Sulfat gehalten, über Minderungsstrategien nachzudenken. Ein zur Sulfatentfernung geeignetes Verfahren ist das mit CO2 regenerierte CARIX™-Ionenaustauschverfahren. In dieser Arbeit wurden dessen Leistungsfähigkeit, Einflussfaktoren und Grenzen der Anwendbarkeit sowohl im Pilot- als auch Labormaßstab mit Trinkwässern aus Berlin-Friedrichshagen untersucht. Mit einem Hamburger Trinkwasser wurden weiterhin Laborexperimente zum Verfahren durchgeführt. Während der zwölfmonatigen Pilotierung des Verfahrens im Wasserwerk Friedrichshagen wurden bei Ausbeuten von 70-84 % ohne Abwasserrückgewinnung rund 60-100 mg/L (34-59 %) Sulfat aus dem Trinkwasser entfernt. Zusätzlich wurden 54-68 % der Wasserhärte, 62-75 % der Säurekapazität und 44-59 % DOC entfernt. Eine Abnahme der Säurekapazität von 3,5 mmol/L auf 2,9 mmol/L verringerte die Sulfatentfernung von 100 mg/L bzw. 59 % auf 60 mg/L bzw. 34 %. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ausbeute zwar die Ablaufwasserqualität beeinflusst, aber die Zulaufwasserqualität und insbesondere die Säurekapazität einen maßgeblichen Einfluss ausüben. Da das Sulfat in Berlin-Friedrichshagen infolge des Tagebaus in der Lausitz chemisch als Schwefelsäure in die Oberflächengewässer eingetragen wird, nimmt hier mit zunehmender Sulfatkonzentration die Säurekapazität ab. Unter diesen Randbedingungen nimmt die Leistungsfähigkeit des CARIX™-Verfahren mit zunehmender Sulfatkonzentration deutlich ab. Es wurde eine kontinuierliche Akkumulation von NOM auf dem Anionenaustauscher festgestellt, die zu organischem Fouling des Materials führte. Nach der einjährigen Pilotierung waren infolge knapp 45,6 % der Ionenaustauschkapazität des Anionenaustauschers nicht mehr für Ionenaustauschprozesse verfügbar. In Laborversuchen zeigte sich, dass besonders die Berliner Huminstoffe und die mittels SAK254 erfassten organischen Fraktionen eine ausgeprägte Affinität gegenüber dem Anionenaustauscher besitzen, wobei Ionenaustausch ihr primärer Adsorptionsmechanismus war. Erstmals konnte eine Verdrängung von Anionen durch Organik am Anionenaustauscher im CARIX™-Verfahren nachgewiesen werden. Kohlensäure erwies sich aufgrund der niedrigen Konzentration und pH-Werte als ungeeignetes Regeneriermittel, um das organische Fouling umzukehren. Das Betriebsverhalten der Ionenaustauscher in der Pilotanlage konnte mit einem Laborversuchsaufbau erfolgreich reproduziert werden. Mit den Ergebnissen zur Ionenentfernung an der Pilot- und Laboranlage wurde ein empirisches Modell erarbeitet, mit dem sich die CARIX™-Ablaufwasserqualität bei Kenntnis von Säurekapazität und Karbonathärteanteil im Zulauf abschätzen lässt. Laborversuche und das empirische Modell können so zeit- und kostenaufwendige CARIX™-Pilotierungen ergänzen bzw. ersetzen. Die vorliegende Arbeit erweitert das Verständnis der grundlegenden Mechanismen des CARIX™-Prozesses und bietet so Orientierung hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Auslegung des Verfahrens, ohne auf Pilotversuche zurückgreifen zu müssen.Some water supply companies in Germany are observing increasing sulfate contamination in their raw water resources and are required to consider mitigation strategies due to the drinking water regulation limit of 250 mg/L sulfate. One method suitable for sulfate removal is the CO2-regenerated CARIX™ ion exchange process. This study investigated the performance, influencing factors, and limitations of the process at both pilot and laboratory scales using drinking water from Berlin-Friedrichshagen. Laboratory experiments were also conducted with drinking water from Hamburg. During the twelve-month pilot testing at the Friedrichshagen waterworks, the process achieved sulfate removal of about 60–100 mg/L (34–59%) from the drinking water at yields of 70–84% without wastewater recovery. Additionally, 54–68% of water hardness, 62–75% of acid capacity, and 44–59% of DOC were removed. A reduction in acid capacity from 3.5 mmol/L to 2.9 mmol/L decreased sulfate removal from 100 mg/L (59%) to 60 mg/L (34%). The results indicate that while the yield influences the effluent water quality, the influent water quality, especially acid capacity, plays a crucial role. In Berlin-Friedrichshagen, sulfate enters surface waters as sulfuric acid due to lignite mining in Lusatia. As the sulfate concentration increases, the acid capacity decreases. Under these conditions, the performance of the CARIX™ process significantly declines with increasing sulfate concentrations. A continuous accumulation of natural organic matter (NOM) on the anion exchanger was observed, leading to organic fouling of the material. After one year of pilot operation, approximately 45.6% of the anion exchanger's ion exchange capacity was no longer available for ion exchange processes. Laboratory experiments showed that Berlin's humic substances and the organic fractions detected via UV254 exhibited a pronounced affinity for the anion exchanger, with ion exchange being their primary adsorption mechanism. For the first time, the displacement of anions by organic matter on the anion exchanger in the CARIX™ process was demonstrated. Carbonic acid proved unsuitable as a regenerant to reverse organic fouling due to its low concentration and pH levels. The operational behavior of the ion exchangers in the pilot plant was successfully reproduced in a laboratory setup. Based on the results of ion removal in the pilot and laboratory systems, an empirical model was developed to estimate the CARIX™ effluent water quality using knowledge of acid capacity and carbonate hardness in the influent. Laboratory experiments and the empirical model can thus complement or replace time- and cost-intensive CARIX™ pilot testing. This work expands the understanding of the fundamental mechanisms of the CARIX™ process and provides guidance on its performance and design without relying on pilot trials.dehttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Ion ExchangeSulphate removalDrinking waterNatural organic matter (NOM)CARIXCarbon Dioxide Regenerated Ion ExchangeTechnology::628: Sanitary; MunicipalNatural Sciences and Mathematics::572: BiochemistryDoctoral Thesis10.15480/882.1361310.15480/882.13613Ruhl, Aki SebastianAki SebastianRuhlOther