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Gase verbessern die Trinkwasserqualität

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Gase verbessern dieTrinkwasserqualität

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Wasser ist das wichtigste und dasam strengsten kontrollierte Lebensmittel

Im Zuge der Umsetzung der neuen EU-Trink-wasser-Richtlinien in nationales Recht sind in2003 die Anforderungen an die Qualität desTrinkwassers erneut gestiegen. So sinken z. B.die Grenzwerte für einige Schwermetalle undweitere unerwünschte Substanzen wie orga-nische Halogenverbindungen.

Neu ist auch, dass die örtlichen Wasserwerke dieEinhaltung dieser Grenzwerte bis zum Wasser-hahn des Endverbrauchers sicherstellen müssen(Abb. 1).

Bezeichnung Härtebereich Gehalt Ca- undMg-Ionen (mmol/l) Härtegrad

Weich 1 < 1,3 < 7 °dH

Mittel 2 1,3 - 2,5 7 - 14 °dH

Hart 3 2,5 - 3,8 14 - 21 °dH

Sehr hart 4 > 3,8 > 21 °dH

Das bedeutet unter anderem, dass die chemi-sche Beschaffenheit des Trinkwassers einerKorrosion der öffentlichen und privaten Leitungenvorbeugen muss.

Gase leisten bei den diversen Trinkwasser-Aufbereitungsverfahren einen entscheidendenBeitrag (Abb. 2). Als natürliche Bestandteile desgesunden Trinkwassers ermöglichen sie umwelt-freundliche und kostengünstige Verfahren zurVerbesserung der Trinkwasserqualität – ohneunerwünschte Nebenprodukte oder Verunreini-gungen. Dieser Beitrag stellt die wichtigstenVerfahren vor, bei denen Gase zum Einsatzkommen.

Von entscheidender Bedeutung:der richtige pH-WertTrinkwasser guter Qualität sollte weder korrosivwirken noch Kesselstein bilden. Dazu muss derpH-Wert (d. h. die Konzentration der Wasserstoff-Ionen) des Wassers mit dem Härtegrad ausba-lanciert sein (Abb. 3).

Härte ist eine hauptsächlich durch Kalzium- undMagnesium-Ionen verursachte natürliche Eigen-schaft des Wassers. Während ein bestimmterHärtegrad aufgrund des Mineraliengehaltsgesund ist und wasserberührte Teile vor Korro-sion schützt, ist eine zu hohe Kalzium-Härte füralle Verbraucher ungünstig. Dies erfordert z. B.das häufige Entkalken von Haushaltsgeräten, dieWasser erwärmen. Ein hoher Härtegrad erhöhtaußerdem den Seifen- und Tensidverbrauch beimWaschen und Reinigen.In Deutschland gilt Wasser mittlerer Härte alsoptimal (Härtebereich 2; 7 – 14 °dH, siehe Tab.).

Abb. 1: Für Trinkwasser, unser wichtigstes Lebensmittel,gelten höchste Qualitätsanforderungen. Gase helfen dabei,diese zu erfüllen.

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Gesetzlich vorgeschrieben ist nur die Mindest-härte von 3 °dH. Weicheres Wasser wird injedem Fall aufgehärtet, um eine Korrosion derLeitungen zu verhindern. Wasserwerke nehmenvermehrt auch eine Enthärtung von hartem undsehr hartem Rohwasser vor, um Leitungswasserzu erzeugen, dass die Anforderungen allerHaushaltsanwendungen möglichst gut erfüllt.

Das Enthärten im Wasserwerk erfolgt heutemeist durch Schnell-Entkarbonisierung imWirbelschichtreaktor.

Am Reaktoreingang wird dazu Natronlauge oderKalkmilch dosiert, um den pH-Wert zu erhöhen(Abb. 4). Am Reaktorausgang sind Resthärte undpH-Wert des Wassers jedoch oft nicht im Gleich-gewicht, was zu einer so genannten Nachenthär-tung führt. Die Folge ist eine Kesselsteinbildungan nachgeschalteten Rohrleitungen und Ventilensowie kürzere Laufzeiten der nachgeschaltetenFilter.

Abb. 2: Bei der Trinkwasseraufbereitung kommen Gase bei den unterschiedlichsten Verfahren zum Einsatz

Abb. 3: Einfluss des pH-Werts auf die Trinkwasserqualität Abb. 4: Enthärten und Aufhärten von Trinkwasser mitCO2 und Kalkmilch

Korrosion

Gleichgewichtskurve Gleichgewichtskurve

1. Mechanische Entsäuerung2. Lauge-Dosierung

Kesselsteinbildung 3. Enthärtung im Reaktor4. Feinregelung im Reaktor5. CO2-Zugabe6. Kalkmilch-Zugabe

Enthärten

Aufhärten

KalziumhärteKalziumhärte

Fluss

Uferfiltrat

Ozon

Filtration

Aktivkohle-adsorption

Oxidationund

Filtration

Kalkmilch

CO2

CO2

Versorgungsgebiet

O2

Ultrafiltration

CO2

Umkehrosmose

Oxidationund

Filtration

TeilentsalzungCARIX®

     CO2

Regenerieren

CO2

FiltrationEnthärtung

Flockulator

Kalkmilch

CO2

O2

         Aufhärtung

pH-Wert-Einstellung

Stausee Grundwasser

  erwünschte Härte

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Um dies zu verhindern, ist eine pH-Wert-Rege-lung mit Säure erforderlich. Hier bietet sich derEinsatz von Kohlensäure an.

Kohlensäure entsteht beim Einleiten von Kohlen-dioxid in Wasser, wobei sich ein Gleichgewichtzwischen physikalisch gelöstem Kohlendioxidund den Produkten Kohlensäure, Hydrogenkar-bonat und Karbonat einstellt:

Alle diese Formen der Kohlensäure sind natür-liche Bestandteile des Wassers und veränderndaher die Qualität des Trinkwassers nicht.

Messer installiert CO2-Dosier- und Eintragsys-teme, die CO2 kurz vor oder im Ausgang desWirbelschichtreaktors im Wasser lösen. Diesverhindert ein weiteres Ausfällen unlöslicherSalze und schützt so effektiv vor Kesselstein(Abb. 5).

Kohlendioxid ist die richtige WahlFür die Regelung des pH-Werts bietetKohlendioxid viele Vorteile:

keine Aufsalzung des Wassers, da die Sulfat-und Chlorid-Konzentrationen nicht erhöhtwerden. Das ist wichtig für die korrosions-chemischen Eigenschaften des Wassers

CO2 ist kostengünstiger als Mineralsäuren inTrinkwasserqualität

Bevorratung und Einsatz sind einfach undsicher; keine Korrosion an Anlagenteilen

genauere pH-Wert-Steuerung bei geringerenInvestitionskosten (Abb. 6).

Abbildung 6 zeigt schematisch eine Neutralisa-tionskurve mit dem schwach sauren Kohlendioxidim Vergleich zu einer stark sauren Mineralsäure.

Abb. 5: Schnell-Entkarbonisierung in der Wirbelschicht mit CO2-Dosierung am Reaktorausgang

Abb. 6: Vergleich der Neutralisationskurven von CO2 undeiner Mineralsäure

zulässiger Bereich

CO2-Dosierung

Phase I Phase II Phase III

Mineralsäure

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Der flachere Kurvenverlauf beim CO2 zeigt, dassauch in der Nähe des neutralen Bereichs Kohlen-dioxid-Zugaben nur geringe pH-Wert-Verschiebun-gen bewirken, was praktisch jede Übersäuerungausschließt. Daher ist hier auch keine ausgefeilteSteuerungstechnik erforderlich. Außerdem ist diekontinuierliche Dosierung kleiner, variierenderMengen bei einem Gas einfacher als bei einerFlüssigkeit. Dies ist besonders wichtig bei der pH-Wert-Regelung in Rohrleitungen mit Pfropfen-strömung.

Aufhärten – der Klassiker unter denCO2-AnwendungenRohwässer, z. B. aus Stauseen oder aus Brunnenin Granit-, Sandstein- oder Basaltgebieten, kön-nen sehr weich (nicht selten unter 3 °dH) unddamit korrosiv sein. Auch die ständig steigendenMengen an Trinkwasser, die durch Umkehros-mose oder Destillation entsalzt werden, besitzeneine sehr geringe Pufferkapazität und sind ohneweitere Behandlung zu korrosiv. Durch Aufhärtenauf mindestens 3 °dH lässt sich eine Korrosion inden Rohrnetzen und beim Verbraucher vermei-den. In der Praxis stellt man den Härtegrad aufeinen Wert bis zu 8 °dH ein, um im VerteilnetzTrinkwasser aus mehreren Wasserwerkenmischen zu können.

Das wirtschaftlichste Verfahren zum Aufhärtenist das Einlösen von Kalkmilch oder Kalkwassermit dazu im Gleichgewicht stehenden Mengen

CO2. Dadurch ist sichergestellt, dass der gesam-te zudosierte Kalk zu löslichem Kalziumbikarbonatreagieren kann (Abb. 4).

Auch bei anderen Aufbereitungsverfahren bietetdie pH-Wert-Regelung mit CO2 Vorteile für dieWasserwerke:

Bei Membran-Trennverfahren wie der Nanofil-tration oder der Umkehrosmose verhindertAnsäuern mit CO2 – auch für sehr harte Wässermit z. B. 7,5 mmol/l Kalzium – ein Verblockender Membranen durch Scaling (= unerwünsch-tes Ausfällen unlöslicher Salze), so dass einekonstante Durchsatzleistung erhalten bleibt. Daauch Umkehr-Osmose- Membranen CO2 nichtzurückhalten, ist im Permeat hinter der Mem-bran bereits ein Großteil des zum Aufhärtenerforderlichen Kohlendioxids vorhanden.

CO2 dient zur pH-Wert-Regelung in derFlockung.                                                          Rohwasser aus Flüssen und Talsperren wirdzunächst meist mit Aluminaten als Flockungs-mittel behandelt. In warmen Klimazonen isthäufig zu beobachten, dass vermehrtes Algen-wachstum im Sommer so viel CO2 aus demWasser verbraucht, dass der pH-Wert desRohwassers sogar bis auf Werte über 9 an-steigt. Bei diesem Wert geht das Aluminiumaus den Aluminaten bereits partiell in Lösung,was durch eine pH-Wert-Regelung mit CO2

vermeidbar ist.

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Teil-Entsalzen mit KohlendioxidEine Kombination aus hoher Härte und erhebli-chen Nitrat-, Chlorid- oder Sulfatgehalten lässtsich erfolgreich mit dem Carix®-Verfahren* behan-deln. Das Verfahren (Abb. 7) basiert auf derKombination eines schwach sauren Kationen-Austauschers (gegen Härte) und eines Anionen-Austauschers (gegen Nitrat, Chlorid und Sulfat).Beide Austauscher werden zusammen in einemReaktor genutzt. Sind die beiden Ionen-Aus-tauscherharze voll beladen, werden sie durchEinleiten von Kohlensäure gemeinsam undgleichzeitig regeneriert (Abb. 8).

Die Vorteile sind:

Gleichzeitiges Absenken von Härtegrad, Sulfat-,Chlorid- und Nitratgehalt in einem Schritt aufdas gewünschte Niveau, was den Prozessvereinfacht und die Wirtschaftlichkeit erhöht.

Die Regeneration benötigt nur Kohlendioxidund keine zusätzlichen Salze. Das Spülwasseraus der Regeneration enthält nur die aus demRohwasser abgetrennten Salze. Daher dürfendie meisten Carix®-Betreiber in Deutschland ihrSpülwasser in Oberflächengewässer einleiten.

Der größte Teil des eingesetzten Kohlendioxidsist recycelbar.

Das Teil-Entsalzen mit Carix® ist vorteilhaft fürden Korrosions-Index (Larson-Index), da nichtnur Bikarbonate (wie beim Schnell-Entkarboni-sieren), sondern auch Sulfate und Chloridereduziert werden. Je nach Bedarf ist dasMischungsverhältnis zwischen Anionen- undKationen-Austauscher sogar so einstellbar,dass der Schwerpunkt vom Enthärten auf eineantikorrosive Wirkung verlagert wird.

Abb. 7: Schematische Darstellung des Carix®-Verfahrens*

Abb. 8: Carix®-Anlage* für 3000 m3 pro Tag *Carix® ist eine eingetragene Marke der Fa. VA TECH WABAG

Rohwasser Trinkwasser

Spülwasser CO2+H2O

Enthärten, Teilentsalzen, Nitrat-Entfernung

Regenerieren

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Oxidation mit SauerstoffAuf Oxidation beruhen verschiedene Reinigungs-verfahren, wobei das Abtrennen von Eisen undMangan wohl am weitesten verbreitet ist. DiesesVerfahren müssen Wasserwerke, die Grundwas-ser aufbereiten, fast immer einsetzen, um Ver-krustungen in den Rohrleitungen zu verhindern.Da Grundwasser sauerstoffarm ist, enthält esEisen und Mangan in einer reduzierten, löslichenForm. Nach Anreichern des Wassers mitSauerstoff oxidiert Eisen(ll) leicht zu Eisen(lll)-oxidpartikeln, die in Filtern zurückbleiben. In denFiltern reagiert auch Mangan mit Sauerstoff zumwasserunlöslichen Mangan(lV)oxid und wirdebenfalls zurückgehalten.

Stöchiometrisch erfordert die Oxidation vonEisen und Mangan nur geringe Sauerstoff-mengen und könnte daher auch mit Luftsauer-stoff durchgeführt werden. Das Oxisolv®-Verfahren von Messer mit reinem Sauerstoffarbeitet aber wirtschaftlicher und hat imVergleich zur Belüftung viele Vorteile:

Der Einsatz von Sauerstoff anstelle von Lufterhöht die Filterdurchsatzleistung zwischenzwei Rückspülungen deutlich. Das bedeutetweniger Rückspülungen und damit einen ge-ringeren Spülwasserverbrauch sowie niedrigereKosten für deren Behandlung und Entsorgung.Besonders bei Druckbelüftung mit Umgebungs-luft wird das Wasser mit Stickstoff übersättigt.Der Druckabfall am Filter bewirkt ein Ausgasendes Stickstoffs. Die Gasblasen sammeln sichim Filterbett an und blockieren die Filter, wasein vorzeitiges Rückspülen erforderlich macht.Der Betrieb mit reinem Sauerstoff wirddagegen nicht durch Stickstoff gestört.

Sauerstoff vermeidet „weißes" Wasser. BeiDruckbelüftung mit Luftsauerstoff entgastStickstoff auch am Wasserhahn und führtdamit auch beim Endverbraucher zu milchigtrübem Wasser.

Mit Reinsauerstoff ist leicht eine hohe Sauer-stoffanreicherung von 20 mg/l und mehr zuerreichen. Dies ist wichtig, wenn das Rohwas-ser neben Eisen und Mangan auch Ammonium,Methan oder Schwefelwasserstoff enthält, daderen Abbau relativ viel Sauerstoff erfordert.

Sauerstoff ist sauber und geruchsneutral,während Umgebungsluft besonders in derNähe von landwirtschaftlichen oder industri-ellen Betrieben hygienische oder olfaktorischeProbleme verursachen kann.

CO2-Verlust aus weichem Wasser wird verhin-dert, da nur die genau benötigte Sauerstoff-menge injiziert wird und ein Ausstrippenanderer Gase durch große Luftmengen nichtauftreten kann. Das vorhandene CO2 ist daherfür eine anschließende Aufhärtung nutzbar.

Die Belüftung mit reinem Sauerstoff ist somit oftwirtschaftlicher als mit Umgebungsluft. NiedrigeInvestitions- und Betriebskosten sowie der Weg-fall oder die deutliche Verminderung von War-tungs- und Reinigungsarbeiten an Verdichternund Entlüftern sprechen für den Einsatz vonSauerstoff. Diese Vorteile führten in Deutschlanddazu, dass der Einsatz von reinem Sauerstoff mitzum Stand der Technik gehört (Abb. 9).

Ozon, das „Allheilmittel" für WasserWenn traditionelle Reinigungsmethoden wieFlockung, Filtration und Chlorieren nicht ausrei-chen, ist das starke Oxidanz Ozon (O3) ein univer-seller und umweltfreundlicher Helfer. Ozon re-agiert zu Sauerstoff und harmlosen Oxidationspro-dukten. Es treten keine unerwünschten Neben-produkte oder Geschmacksveränderungen auf.

Abb. 9: Sauerstoffeintrag über einen Oxidator vor derEnteisenung/Entmanganung

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Eine Ozon-Behandlung kann die Trinkwasser-qualität auf vielerlei Weise verbessern:

Ozon wird zur Desinfektion, häufig in Verbin-dung mit UV-Licht, eingesetzt. Es wirkt effek-tiver gegen Viren und tötet Bakterien, Zysten(Dauerstadien niedriger Pflanzen und Tiere),Sporen, Pilze, Parasiten, Kryptosporidien (Ein-zeller, häufige Ursache von Durchfallerkran-kungen) schneller ab als Chlorverbindungen,bei deren Einsatz auch unerwünschteChloramine und Chlorkohlenwasserstoffeentstehen würden.

Ozon wird bei der Oxidation von Eisen undMangan eingesetzt, wenn diese in Huminsäure-komplexen vorliegen und daher von Sauerstoffnicht mehr oxidierbar sind.

Ozon hemmt das Algenwachstum und ver-hindert die Bildung biologischer Schlämme anOberflächen.

Ozon oxidiert biologisch schwer abbaubareorganische Produkte und verbessert dadurchFarbe, Klarheit, Geruch und Geschmack desWassers. Es wird häufig in Verbindung mitgranulierter Aktivkohle zur Pestizid-Entfernungeingesetzt. Ozon „knackt" auch Vorläufer derTrihalomethane. Das ist wichtig, wenn beimanschließenden Eintrag in das Rohrleitungs-system eine Chlorierung erfolgt.

Ozon verbessert die Flockung.•

Messer Group GmbHGahlingspfad 31

47803 KrefeldTel. +49 2151 7811-221Fax +49 2151 7811-503

[email protected]

Ozon, die dreiatomige Form des Sauerstoffs, istinstabil und muss daher vor Ort erzeugt werden(Abb. 10). Besonders für mittlere und großeAnlagen ist dabei Sauerstoff als Ausgangsproduktwirtschaftlicher als Luft, da keine kapitalinten-siven Aufbereitungsanlagen zum Trocknen undReinigen der Luft erforderlich sind. Außerdemsind mit Sauerstoff viel höhere Ozonkonzentra-tionen im Produkt (10 – 15 Gew.%) möglich.Folglich sind solche Ozon-Generatoren und–Injektoren kompakter, verbrauchen wenigerEnergie und sind somit kostengünstiger. Daherarbeiten moderne Ozon-Generatoren inDeutschland immer mit reinem Sauerstoff. Auchviele ältere Generatoren für Luftbetrieb wurdenauf reinen Sauerstoff umgerüstet, um hoheWartungskosten für die Luftaufbereitung undderen Überwachung einzusparen.

FazitIn der gesamten Aufbereitungskette – vomBrunnen bis zum Verbraucher – kommen, je nachAusgangsqualität des Rohwassers, Kohlendioxid(pH-Wert-Regelung, Enthärten, Aufhärten, Teil-Entsalzen) und/oder Sauerstoff bzw. Ozon fürOxidations- und Desinfektionsverfahren zumEinsatz. Die qualifizierten Naturwissenschaftler,Ingenieure und Techniker von Messer verfügenüber weitreichende Erfahrung bei den vorgestell-ten Verfahren und über das Know-how, die Gasehierbei effizient zu nutzen. Sie beraten vor Ortund bieten Lösungen an, die Engineering,Hardware und Gaseversorgung umfassen. DasErgebnis sind mehr als 200 Referenzanlagen, diein den letzten Jahren bei Wasserwerken in ganzEuropa installiert wurden.

Abb. 10: Moderne Ozongeneratoren wie diese 3-kg-Anlagenutzen reinen Sauerstoff als Ausgangsprodukt