Warum Wasseraufbereitung?
Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel. Es ist unersetzlich. Im Altertum wurden Brunnenvergifter drakonisch verfolgt und hart bestraft - nicht selten mit dem Tode.
Heute wird Wasser, ganz besonders Trinkwasser, durch Gesetze und Verordnungen geschützt.
Das Gemeinwohl fordert einen flächendeckenden Schutz des Wassers vor Verunreinigungen und anderen Beeinträchtigungen.
In dichtbesiedelten Lebensräumen, in denen die Einzugsgebiete von Wassergewinnungsanlagen immer intensiver genutzt werden, ist besonders mit Beeinträchtigungen des Grundwassers zu rechnen.
Die natürliche Schutz- und Reinigungswirkung der grundwasserüberdeckenden Schichten reicht hier nicht mehr in allen Fällen aus, um die Qualität des Grundwassers dauerhaft zu erhalten. Damit aber qualitativ einwandfreies Trinkwasser ständig in ausreichender Menge verfügbar ist, muss daher oftmals auf belastete Wässer mit problemorientierter Wasseraufbereitung zurückgegriffen werden.
Bewertung der Wasserqualität
Wasser enthält - je nach seiner natürlichen Herkunft - unterschiedlichste Wasserinhaltsstoffe. Die Trinkwasserverordnung (TrinkwV) gibt deshalb physikalisch-chemische Anforderungen an die Wässer vor, die zur Trinkwasserversorgung herangezogen werden. Rückschlüsse auf die Wasserqualität bzw. Verwendbarkeit eines Wassers als Trinkwasser erlaubt aber bereits die Messung und Bewertung einiger wesentlicher Summenparameter.
Redoxspannung
In jedem Reduktions-Oxidations-Prozess - wie er auch in Wasser stattfindet - stellt sich nach einiger Zeit ein Gleichgewichtszustand ein. Dieser Zustand ist elektrisch messbar: Die Redoxspannung wird als elektrische Spannung zwischen dem Wasser und einer Bezugselektrode gemessen. Bei negativer Redoxspannung überwiegen reduzierende Substanzen, bei positiver Redoxspannung die oxidierenden Substanzen im Wasser.
In belüftetem Grundwasser liegt die Redoxspannung beispielsweise zwischen 200 mV und 300 mV, bei aufbereiteten Wässern zwischen 700 mV und 900 mV.
Eine hohe Redoxspannung bedeutet, dass das Reinwasser fast keine reduzierenden und/oder bioverfügbaren Substanzen mehr enthält.
Beispielsweise ist Wasser bei einer Redoxspannung von 740 mV und einem Chlorgehalt von 0,1 mg/l als ausreichend desinfiziert zu betrachten, bei einer Redoxspannung von 600 mV und einem Chlorgehalt von 0,6 mg/l jedoch nicht. Eine geeignete Anlagenkonfiguration vorausgesetzt, lässt sich die Redoxspannung zur Prozessführung einer Wasseraufbereitungsanlage heranziehen.
Sauerstoffgehalt
Sauerstoffarmes Tiefenwasser wird als reduziertes Wasser bezeichnet. Bevor es als Trinkwasser genutzt werden kann, muss es durch Anreicherung mit Sauerstoff aufbereitet werden.
Die Zugabe von Sauerstoff in ein reduziertes Wasser führt dazu, dass 2-wertiges Eisen (Fe II) in die 3-wertige Form (Fe III) oxidiert wird und ausfiltriert werden kann. Weiterhin ermöglicht die Zugabe von Sauerstoff die Ansiedlung manganbindender Bakterien in einem nachgeschalteten Filterbett, in dem gelöstes (2-wertiges) Mangan zu schwerlöslichem Braunstein oxidiert wird. Sauerstoff ermöglicht im Filterbett auch die Ansiedlung von Bakterien der Gattungen Nitrosomonas und Nitrobakter, die Ammonium zu Nitrat oxidieren.
Grundsätzlich hat Sauerstoff eine positive Wirkung auf den Korrosionsschutz in Rohrleitungen. Zur Bildung einer ausreichenden Kalkrostschutzschicht im Leitungssystem sollte der Sauerstoffgehalt 6 mg O2/l nicht unterschreiten.
Oxidierbarkeit (KMnO4-Verbrauch)
Die Oxidierbarkeit (KMnO4-Verbrauch) zeigt das Verhalten des Wassers gegen oxidierbare Stoffe, z. B. Sauerstoff, Chlor, Chlordioxid, Ozon, Permanganate und Chromate.
Die Oxidierbarkeit des Wassers wird durch den Verbrauch von zugegebenem Kaliumpermanganat (KMnO4) gemessen: Der Verbrauch von 4 mg/l KMnO4 entspricht dem Verbrauch von 1 mg/l O2.
Der Grenzwert für die Oxidierbarkeit liegt bei 5 mg/l O2.
Dieses Verfahren zur Feststellung der Oxidierbarkeit reagiert relativ unspezifisch. Einige Substanzen oxidieren völlig, andere verhalten sich inert oder werden nur unvollständig mineralisiert. Um den Gehalt des Wassers an organischen Substanzen zu bestimmen, müssen daher noch andere Parameter hinzugezogen werden. Das gilt besonders dann, wenn es sich um anthropogen belastetes Rohwasser handelt.
Neben der analytischen Bestimmung des gelösten organischen Kohlenstoffs DOC (DOC = Dissolved Organic Carbon) und des gesamten organischen Kohlenstoffs TOC (TOC = Total Organic Carbon) kann auch eine UV-Absorptionsmessung bei einer Wellenlänge von 254 nm durchgeführt werden.
Untenstehende Abbildung zeigt die Zusammensetzung des organischen Kohlenstoffs im Wasser:
SAK-Wert bei 254 nm
Zahlreiche organische Stoffe haben Absorptionsbanden im UV-Bereich. Diese Eigenschaft kann dazu genutzt werden, erste Aufschlüsse über oxidierbare organische Wasserverunreinigungen zu gewinnen, insbesonders dann, wenn die Zusammensetzung der Verunreinigungen relativ konstant ist.
Der SAK-Wert wird auf 0,1 gerundet und in m-1 angegeben. Die TrinkwV enthält keine Aussage zum SAK-Wert bei 254 nm. Der SAK-Wert korreliert jedoch mit dem KMnO4-Verbrauch und dem DOC. Mittels kontinuierlicher SAK-Messung wird eine Trendaussage über den Verlauf des DOC-Wertes ermöglicht.
Färbung (TE/F)
Die DIN 2000 verlangt, dass Trinkwasser farblos sein muss; Färbungen und Eintrübungen sind Qualitätsmängel. Ein höherer Gehalt organischer Substanzen im Grundwasser, vor allem Huminstoffe, färbt das Wasser gelb bis gelbbraun. Auch Einbrüche von Fäkalien in das Grund- oder Quellwasser oder andere physikalisch-chemische Verunreinigungen führen zu einer Färbung des Wassers. Überall dort, wo Oberflächenwasser mit einem hohen Anteil an Huminstoffen verwendet wird, kann eine Farbmessung vorteilhaft sein.
Die Farbe des Wassers wird mittels Absorptionsmessung im sichtbaren Bereich bei einer Wellenlänge von 436 nm gemessen und in m-1 (Farbe) oder als Hazenfarbzahl in mg Pt/l ausgegeben. Der Grenzwert liegt bei 0,5 m-1 bzw. 20 mg Pt/l.
Als Qualitätsparameter in einer Wasseraufbereitungsanlage lässt sich aus der Färbung rückschließen, wie wirksam die Oxidationsstufe die farbgebenden Substanzen aufbricht und oxidiert.
Trübung (TE/F)
Trübung in Wasser entsteht durch mineralische oder organische Feststoffteilchen. Wasservorkommen mit erhöhter Trübung sind in mikrobiologischer Hinsicht stets bedenklich. Die TrinkwV fordert, dass Trinkwasser keine ungelösten Stoffe enthalten soll. Der Grenzwert liegt bei 1,0 Trübungseinheiten Formazin (TE/F) bzw. FNU (Formazin Nephelometric Units) am Wasserwerksausgang.
Trübungen im Grund- und Quellwasser entstehen meist:
- bei ungenügender Bodenfiltration
- zur Zeit der Schneeschmelze
- nach längeren starken Regenfällen
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Wenn Böden eisen- oder manganhaltig sind, können ungelöste Stoffe auch im Wasser aus Brunnen enthalten sein.
Schematische Darstellung der Trübungsmessung
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Bei einer UV-Behandlung darf die Trübung Werte von 0,2-0,3 TE/F nicht übersteigen. Mittels Trübungsmessung kann die Dosierung von Flockungsmittel geregelt und/oder Filterstufen überwacht werden.
Zu beachten ist, dass kleinste Gasbläschen bei gesättigten Wässern die Trübungsmessung beinflussen können.
Forderungen an eine moderne Wasseraufbereitungsanlage
Für die Trinkwassergewinnung dürfen nur solche Wässer herangezogen werden, aus denen dauerhaft einwandfreies Wasser gewonnen werden kann. Eine moderne Wasseraufbereitung muss Trinkwasser liefern, das qualitativ einem natürlichen Trinkwasser entspricht.
Hauptaufgaben der Wasseraufbereitung sind unter anderem:
- Hygienisierung/Desinfektion bakteriell kontaminierter Wässer
- Entfernung aller physikalisch störender Substanzen, wie z. B. Trübstoffe, Eisen- und Manganoxide
- Oxidation reduzierter Substanzen
- Entfernung des bioverfügbaren, organischen Kohlenstoffes
- Entfernung von Huminstoffen und ähnlichen Verbindungen
- Entfernung aller anthropogener, hochmolekularer organischer Verunreinigungen (CKW, PBSM...)
- pH-Einstellung (Entsäuerung)
Huminstoffe, huminstoffähnliche Verbindungen und andere hochmolekulare organische Komponenten können durch eine Aufbereitung reduziert werden. Da diese beiden Stoffgruppen jedoch meist biologisch persistent sind, werden sie zuerst durch Oxidation in biologisch abbaubare Fragmente gespalten und anschließend in einer biologisch aktiven Aufbereitungsstufe mineralisiert.
Das Wasser ist nach der biologischen Mineralisation der organischen Kohlenstoffverbindungen nährstoffarm, wodurch das Bekeimungsrisiko des Wassers auf dem Weg zum Verbraucher wirkungsvoll verringert wird.
Die bakteriologische Unbedenklichkeit eines Trinkwassers wird unter anderem durch die Grenzwerte der TrinkwV für koloniebildende Einheiten bei 20 °C und 36 °C bis zum Verbraucher definiert. Die Hygienisierung erfordert hauptsächlich ebenfalls den Entzug des Nährstoffpotentials im Verlauf der Wasseraufbereitung. Bei nährstoffarmem Wasser kann somit auch in weiterverzweigten Netzen auf eine Chlorung verzichtet werden.
Die Desinfektion des Wassers schließt den Aufbereitungsprozess ab. Das Wasser kann durch eine am Filterausgang installierte UV-Anlage oder aber durch eine zusätzliche Oxidationsstufe unter Verwendung von Ozon desinfiziert werden.
Bei der Schlussoxidation mit Ozon laufen die folgenden Vorgänge simultan ab:
- Desinfektion des Wassers
- Beheben eines etwaigen Sauerstoffdefizits, das im Filterbett entstanden sein kann
- Oxidation von Nitrit
Die sogenannte Sicherheits-Chlorung oder Transport-Chlorung steht im Widerspruch sowohl zur TrinkwV als auch zum Minimierungsgebot und ist zur Aufbereitung des Trinkwassers unzulässig. Damit beschränkt sich die Zugabe von Chlor auf Notfälle. Die TrinkwV begrenzt den Anteil niedermolekularer Chlorverbindungen (Trihalogenmethane) (THM) - typische Reaktionsprodukte der Chlorung - auf 50 µg/l.
Die Desinfektion von Wasser mit UV-Licht ist ein physikalischer Prozess. Unter günstigen Voraussetzungen schädigt das UV-Licht die Mikroorganismen im Wasser so, dass diese nicht mehr infizierend wirken können. Das UV-Licht ändert jedoch nicht die Wasserbeschaffenheit. Daher ist vor der Desinfektion des Wassers mit UV-Licht eine ausreichende Aufbereitung erforderlich.
In einer Trinkwasseraufbereitungsanlage wird Rohwasser prozessmäßig mit physikalischen, biologischen und chemischen Wirkmechanismen so behandelt, dass am Ende der Aufbereitung Trinkwasser entsprechend den Vorgaben der TrinkwV zur Verfügung steht.
Zu den Vorgaben der TrinkwV gehört auch, dass das zur Verfügung stehende Rohwasser möglichst naturbelassen bleibt und bei der Aufbereitung nur die belastenden Substanzen entfernt bzw. minimiert werden. Die Aufbereitung von Trinkwasser ist nicht gleichzusetzen mit der Aufbereitung von Prozesswasser, bei der ein Wasser industriellen Bedürfnissen angepasst wird.
Eine naturnahe Trinkwasseraufbereitung muss sich an den Prozessen orientieren, die auch in der Natur zur Reinigung des Wassers ablaufen. Dabei lassen sich im Wesentlichen drei Verfahrensschritte erkennen:
- Oxidation
- Filtration
- prozessbegleitende Hygienisierung/Desinfektion
Das sogenannte HYDROZON®-Verfahren realisiert entsprechend neuestem Wissensstand den naturnahen Weg zur Aufbereitung von geogen oder anthropogen belastetem Rohwasser zu Trinkwasser.
Grundlagen des HYDROZON®-Verfahrens:
- Flockung
- Ozonung
- Filtration
- biologische Mineralisation
- Hygienisierung/Desinfektion
- Kontrolle
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Übersicht
