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Wasseraufbereitungsverfahren

Aufbereitungsverfahren in der Trinkwasseraufbereitung

Aufbereitungsverfahren | Grundwasseraufbereitung  |  Oberflächenwasseraufbereitung  | Membranverfahren

Für die Konzeption und Auslegung einer Aufbereitungsanlage sind umfangreiche Voruntersuchungen erforderlich, wobei Fachleute verschiedener Fachrichtungen wie Geologen, Chemiker, Biologen, Verfahrensingenieure sowie Maschinenbau- und Elektrotechnikingenieure hinzugezogen werden sollten.

Aufbereitungsziel	Aufbereitungsverfahren
Entkeimung	Langsamsandfiltration Untergrundpassage Natriumhypochloridierung Chlorgasdosierung Chlordioxiddosierung UV-Bestrahlung
Enteisenung Entmanganung	Oxidation Filtration unterirdische Entfernung
Entsäuerung	Belüftung Marmor-/Jura-/Dolomitfilter Natronlauge-, Kalkmilch-, Soda-Dosierung
Oxidation	Belüftung O2-Dosierung Ozon, H2O2, Kaliumpermanganat
Kohlenwasserstoff- entfernung	Belüftung (Strippen) Aktivkohlefilter
Enthärten / Entsalzen	Ionenaustauscher Umkehrosmose Elektrodialyse Nanofiltration
Entcarbonisierung	Langsam-, Schnell-, physikalische Entcarbonisierung
Trübung	Flockung Filtration Untergrundpassage
Schwebstoffe	Sedimentfiltration Filtration
Nitratentfernung (Entsalzung)	Ionenaustauscher Umkehrosmose Elektrodialyse biologische Denitrifikation unterirdische Entfernung

Zu entscheiden, welche Verfahren oder Kombinationen von Aufbereitungsschritten einzusetzen sind, kann hier nicht abschließend behandelt werden. Darum sollen die nachfolgenden Ausführungen einen Überblick über einige verbreitete Aufbereitungsverfahren verschaffen.

Bitte beachten Sie, dass sich die Aufbereitung von Grundwasser und Oberflächenwasser deutlich voneinander unterscheiden.

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Grundwasseraufbereitungsverfahren

Überblick über einige Qualitätsprobleme und deren Aufbereitungsverfahren

Qualitätsproblem	Aufbereitungsverfahren
zu wenig Sauerstoff zu viel Kohlensäure, Stickstoff Schwefelwasserstoff u. ä. Gase zu viel Eisen, Mangan, Ammonium	offene Belüftung/Entgasung Enteisenungs- und Entmanganungsfiltration
zu wenig Sauerstoff zu viel Kohlensäure zu hohe Härte zu viel Eisen	Belüftung, Begasung Enthärtung, Entsäuerung Filtration
hohe Halogenkohlenwasserstoff- konzentration	Belüftung und/oder Aktivkohle-Filtration Umkehr-Osmose
sehr hohe Belastung mit organischen Inhaltsstoffen	Ozonierung und Aktivkohle-Filtration Kaliumpermanganatdosierung
Gefahr bakterieller Belastung	Langsamfiltration Desinfektion mit Chlor, Chlordioxid oder UV-Bestrahlung

Oberflächenwasseraufbereitungsverfahren

Qualitätsproblem	Aufbereitungsverfahren
vielfältige Verunreinigungen durch städtische, industrielle und gewerbliche Immissionen (Abwässer, Luft, Verkehr, Landwirtschaft)	Untergrundpassage = Uferfiltration und/oder künstliche Grundwasseranreicherung
Trübstoffe, Algen, Mikroorganismen, organische Verunreinigungen	Flockung mit chemischen Zusatzstoffen, Sedimentation und Filtration
gelöste organische Verunreinigungen	Ozonierung und Aktivkohle-Filtration
Gefahr durch Krankheitserreger ist immer gegeben	Untergrundpassage Langsamsandfiltration Desinfektion

Elimination anorganischer toxischer Inhaltsstoffe

• Betrifft z.B. Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Cyanid, Nickel, Antimon und Selen
• Geringe Grundlast ist häufig geogen bedingt
• Eine wichtige Rolle spielt meist nur Arsen, da dies geogen bedingt erhöht auftreten kann
• Oxidation As(III) zu As(IV)
• Flockung/ Fällung mit Eisen- oder Aluminiumsalzen
• Adsorption an Eisen- o. Aluminiumoxid, Mitfällung bei Enteisenung
• Ionenaustausch

Membranverfahren:

Seit längerem bei Aufbereitung von Betriebswasser, z.B. Kesselspeisewasser, Reinstwasser
Neuerdings finden Membranverfahren auch in Abwasserbehandlung und Trinkwasseraufbereitung Anwendung zum Rückhalt von Mikroorganismen und zur Enthärtung und Entsalzung.

Insbesondere in Regionen mit Wasserknappheit, z.B. im Nahen Osten, lässt die Bereitstellung von Trinkwasser aus Meerwasserentsalzungsanlagen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Aber auch die Aufbereitung zu chemisch und bakteriologisch unbedenklichem Trinkwasser aus Oberflächenwasser wird künftig zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Verfahren	Porengröße (Mikron)	zurückgehaltene Teilchen	Anwendung für Trinkwasser
Mikrofiltration	1 µ	Bakterien Pigmente Indigo	Vorbehandlung
Ultrafiltration	0,01 µ	Proteine Kohlenstoff Emulsionen Viren	Vorbehandlung Sterilfiltration
Nanofiltration	0,001 µ	synthetischer Farbstoff Zucker	Enthärtung Teilentsalzung Beseitigung von Schädlingsbekämpfungsmitteln Sterilfiltration
Umkehrosmosefiltration	0,0001 µ	Ionen	Entsalzung Beseitigung von Schädlingsbekämpfungsmitteln Sterilfiltration

Wasser wird bei diesen Verfahren mit hohem Druck gegen eine semipermeable Membran gedrückt (3 bis 100 bar), die nur für das annähernd reine Wasser durchlässig sind (aktive Schicht 0,1 ... 1,0 µm z.B. aus Celluloseacetat oder Polyamid)

Adsorption

Entfernung von organischen und teils anorganische Spurenstoffen durch Adsorption an körnige pulverförmige Aktivkohle (innere Oberfläche von 1500 m²/g)

Anwendung zur Entfernung von:

1. Geruchs- und Geschmacksstoffen
2. Kohlenwasserstoffen
3. Organ. Chlorverbindungen
4. Pflanzenschutzmittel, Höhermolekulare Stoffe, Huminsäuren, seltener für Radionuklide
5. Toxische Metalle

Voraussetzung ist gute Vorreinigung des Wassers, da sonst die Wirksamkeit der Aktivkohle beeinträchtigt wird.

Desinfektion

Desinfektion von Trinkwasser

Als Verfahren sind für Trinkwasser gebräuchlich:

• Erhitzen, Feinfiltern, Oxidationsmittel, UV-Bestrahlungen und Metallionen-Zugabe.
• Von den Oxidationsmitteln werden überwiegend die Halogene Chlor u. Chlordioxid, selten Brom und Jod verwendet. Chlor am häufigsten, Brom gelegentlich für Badewasseraufbereitung, Jod für kleine Anlagen.
• Ozon wird wegen der höheren Kosten im allgemeinen mehr als hochwirksames Oxidationsmittel angewendet.
• Wasserstoffsuperoxid ist zwar ein starkes Oxidationsmittel, hat aber nur geringe Desinfektionswirkung u. ist deshalb zur Desinfektion nicht zugelassen.
• Bei der Desinfektion mit Metallionen ist nur das Silberungsverfahren unter bestimmten Voraussetzungen verwendbar.
• Kupferionen haben zwar eine gute Wirkung zum Abtöten von Algen, eine geringe dagegen bei der Desinfektion.
• Tante fällt über Kante
• Auch eine Verzinkung eines Stahlrohres (Hausanschlussleitungen) bewirkt ein langsames Abtöten der Keime, ohne dass es als Desinfektionsverfahren verwendbar ist.

Die mikrobiologische Beschaffenheit des Trinkwassers muss laufend überwacht werden.

Chlorung

Chlorungsverfahren

In der Praxis werden im wesentlichen vier Chlorungsverfahren verwendet:

- Chlorgas,
- Chlordioxid,
- Natriumhypochlorit, flüssig als Chlorbleichlauge bezeichnet,
- Calciumhypochlorit, fest in Tablettenform.

Gehalt an wirksamen Chlor der gebräuchlichen Chlorverbindungen

Bezeichnung	Gehalt an wirksamem Chlor (%)
Chlor	100
Chlorkalk	33-37
Natriumhypochlorit	15-16
Calciumhypochlorit	75

Die Chlorung ist für die zentrale Wasserversorgung noch immer das gebräuchlichste Desinfektionsverfahren, da sowohl die Kosten der erforderlichen Apparate als auch die laufenden Betriebskosten gering sind, die Wirkung der Desinfektion durch den einfach zu führenden Nachweis des Chlorgehalts, teilweise sogar nur über die Redox-Spannung, geprüft werden kann und eine bei ordnungsgemäßer Durchführung gegebene Depotwirkung Wiederverkeimungen im Verteilungsnetz verhindert.

Nicht mehr zugelassen ist die Chlorung zur Oxidation anorganischer und organischer Wasserinhaltsstoffe, ebenso sollte die Zugabe hoher Chlormengen bei der Desinfektion nach Möglichkeit unterbleiben, da die Gefahr der Bildung von krebserregenden Trihalogenmethanen besteht (Grenzwert 0,025 mg/l).

Die zulässige Zugabe ist deshalb durch die Trinkwasserverordnung  für Chlor, Natrium-, Calcium- und Magnesiumhypochlorit sowie Chlorkalk auf begrenzt worden, nur in Ausnahmefällen bei sonst gegebener hygienischer Gefährdung sind höhere Dosen gestattet.
Einige Wasserwerke haben auf Chlordioxid, bei dessen Zugabe o.g. Haloforme nicht entstehen, oder andere Desinfektionsverfahren umgestellt.

Eine sichere Desinfektion wird erreicht, wenn

1. eine gründliche Durchmischung des Desinfektionsmittels mit dem Wasser erfolgt.
2. eine ausreichend lange Einwirkungszeit des Desinfektionsmittels vorhanden ist.
3. der geforderte Chlorgehalt an freiem Chlor dauernd nachgewiesen wird.

Chlorgas (DIN 19606 und 19607):

Eigenschaften – Cl₂ ist ein gelb-grünliches Gas, das sehr giftig ist. In Tab. ist die Wirkung von Chlorgas bei verschiedenen Konzentrationen in 1 m³ Luft auf den Menschen angegeben. Chlorgas ist etwa 2,5 mal schwerer als Luft.

Bezeichnung	ml Chlorgas in m3 Luft
zulässiger Chlorgehalt in Luft. während 8 Arbeitsstunden	0,5 - 1,58 mg/l
merkbarer Geruch	3,5
Reizungen im Hals,	ab 15
Husten,	ab 30
Maximalwert für einen kurzen Aufenthalt	40
Gefährlich, bereits bei kurzem Aufenthalt	40-60
Schnell tödlich	1000

Chlordioxid ClO2

Orangefarbenes Gas, 2,5mal höhere Oxidationskraft als Chlor. Vorteil: es entstehen keine Nebenprodukte wie Chlophenol, es reagiert nicht mit Ammonium, keine cancerogenen Stoffe

• Chlordioxid ist explosiv, keine Anlieferung in Behältnissen
• wird am Gebrauchsort hergestellt aus Natriumchlorit und Chlor oder Natriumchlorit und Salzsäure
• Lösung von Cl₂ im Wasser und als 8 %ige Lösung dem aufbereitetem Wasser zugegeben
• Natriumchlorit darf nicht in das Wasser gelangen
• Chlordioxidverfahren wird bei größeren WVU zunehmend eingesetzt wegen besserer Handhabung der Grundstoffe und weil keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen (Haloforme) bei Wässern mit organischer Belastung (OW, UF, belastetes GW)

Natriumhypochlorit

• Ätzende und stark giftige Lösung (Lauge)
• Einfache Handhabung, wird in Behältern angeliefert, Zugabe über einfache Dosierpumpen möglich
• Nachteil: geringe Haltbarkeit, höhere Kosten, Zersetzung durch Licht, Temperatur, Verunreinigungen, bei Spuren von Eisen und Metallen ebenfalls rasche Zersetzung
• Einsatz zur Desinfektion von Anlagenteilen, bei kleinen WW
• Chlordioxidverfahren wird bei größeren WVU zunehmend eingesetzt wegen besserer Handhabung der Grundstoffe und weil keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen (Haloforme) bei Wässern mit organischer Belastung (OW, UF, belastetes GW)

UV-Bestrahlung

Wellenlänge 200 bis 300 nm, Wirkungsmaximum bei 260 nm
Antibakterielle Wirkung, da die Strahlung die das Genmaterial enthaltenden Nukleinsäuren verändert. Diese führen zum Verlust der Vermehrungsfähigkeit und zum Zelltod.
Zur Inaktivierung der Bakterien muss Strahlung diese erreichen, d.h. das Wasser muss frei sein von trübenden und färbenden Stoffen, es muss dicht am Strahler vorbeifließen und es muss ausreichende Strahlungsdosis vorhanden sein, mind. 25 mJ/cm ²
Hoher Wartungsaufwand (Reinigung und Wechslung der Strahler).
Einsatz von Hg-Dampflampen mit 254 nm.
Um die Wirksamkeit der UV-Desinfektion nachzuweisen, muss eine biodosimetrische Prüfung der Anlage gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 294 erfolgen.
Voraussetzung für die Gewährleistung einer sicheren Desinfektion ist der Einsatz einer für das jeweilige Wasser und den erforderlichen Durchsatz ausgelegten UV-Bestrahlungsanlage.
Die Überwachung erfolgt über die kontinuierliche Erfassung des Sensormesswertes. Grundsätzlich müssen für die Trinkwasseraufbereitung zertifizierte UV-Anlagen eingesetzt werden.

Ozonierung

Im Hinblick auf den Einsatz der Ozonierung wurde festgestellt, dass es zu einer erhöhten Bildung biologisch abbaubarer Stoffe kommen kann und deshalb nicht als letzte Aufbereitungsstufe eingesetzt werden sollte. In der Regel ist die Nachschaltung einer biologisch arbeitenden Filterstufe erforderlich. Einschränkungen für den Ozoneinsatz können sich durch die Bildung von Bromat ergeben, wenn das zu desinfizierende Wasser erhöhte Bromidgehalte aufweist.

Entscheidender Vorteil der UV-Bestrahlung im Vergleich zum Einsatz chemischer Desinfektionsmittel ist, dass es sich bei UV-Licht um ein praktisch nebenproduktfreies Desinfektionsverfahren handelt. Voraussetzung für die Anwendung ist, dass das desinfizierte Wasser biologisch stabil ist, da nach Abschluss der Desinfektion keine Restdesinfektionskapazität mehr aufrecht erhalten werden kann. Die UV-Bestrahlungsanlage muss für die jeweilige Wasserbeschaffenheit ausgelegt werden.

Anwendungsbereiche und zu beachtende Randbedingungen für den Einsatz von Desinfektionsmitteln und -verfahren

Desinfektions-Mittel/  -verfahren	Anwendungsbereich	zulässige Zugabe-Menge	Max. Konz. nach Aufbereitung	Nebenprodukte	DVGW Merk- bzw. Arbeitsblätter
Chlor/ Chlorverbin- dungen	- pH < 8 - Ammonium < 0,1 mg/l - DOC ≤ 2,5 mg/l 2)	-  1,2 mg/l Cl2 (6,0 mg/l Cl2) 1)	- max. 0,3 mg/l Cl2 - min. 0,1 mg/l Cl2 (6,0 mg/l Cl2) 1)	- THM und anderen chlororganischen Verbindungen - biologisch abbaubare Stoffe	W 203, W 295, W 296, W 623
Chlordioxid	- gesamter pH-Bereich - DOC ≤ 2,5 mg/l 2)	-  0,4 mg/l ClO2	- max. 0,2 mg/l ClO2 - min. 0,05 mg/l ClO2	- Chlorit - biologisch abbaubare Stoffe	W 224, W 624
Ozon	- gesamter pH-Bereich	-   10 mg/l O3	- 0,05 mg/l O3	- Bromat - erhöhte Bildung biologisch abbaubarer Stoffe	W 225, W 625
UV-Bestrahlung	- entsprechend Zulassung (Prüfzeugnis), - biologisch stabile Wässer	-	-	-	W293, W 294
Abkochen 3)	Notfallmaßnahme	-	-	-	-
1 - zulässig, wenn die Desinfektion nicht anders gesichert werden kann, oder wenn die Desinfektion zeitweise durch Ammonium beeinträchtigt wird 2 - Orientierungswert bedingt durch Grenzwerte für Nebenprodukte 3 - sprudelndes Kochen

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