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Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches SVGWSociété Suisse de l’Industrie du Gaz et des Eaux SSIGESocietà Svizzera dell’Industria del Gas e delle Acque SSIGASwiss Gas and Water Industry Association SGWA

W1015 d Ausgabe Mai 2015

Empfehlung

Umgang mit den geogenen Spurenstoffen Arsen und Uranin der Trinkwasserversorgung

SVGW, Grütlistrasse 44, Postfach 2110, 8027 ZürichTelefon 044 288 33 33, Fax 044 202 16 33, www.svgw.ch

REGELWERK

Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches SVGWSociété Suisse de l’Industrie du Gaz et des Eaux SSIGESocietà Svizzera dell’Industria del Gas e delle Acque SSIGASwiss Gas and Water Industry Association SGWA

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Copyright by SVGW, ZürichSatz: Multicolor Print AG, Baar Ausgabe Mai 2015

Nachdruck verboten

Bezug bei der Geschäftsstelle des SVGW([email protected])

REGELWERKW1015 d Ausgabe Mai 2015

Empfehlung

Umgang mit den geogenen Spurenstoffen Arsen und Uranin der Trinkwasserversorgung

W1015 d, Ausgabe Mai 2015 3/41

INHALTSVERZEICHNIS

Vorwort 5

1 Zielsetzung und Geltungsbereich 6

2 Aufbau der Empfehlung 6

3 Begriffe und Definitionen 7

4 Abkürzungsverzeichnis 9

5 Gesetzliche Vorgaben und normative Verweisungen 9

5.1 Gesetze und Verordnungen 95.2 Normen, Richtlinien, Wegleitungen 10

6 Ausgangslage 11

6.1 Revision der FIV 116.2 Selbstkontrolle 11

7 Grundlagen geogene Spurenstoffe 12

7.1 Arsen 127.2 Uran 147.3 Entfernung von Arsen und Uran durch bestehende Aufbereitungsprozesse 15

8 Vorgehen zur Verminderung von Arsen und Uran-Konzentrationen im Trinkwasser 17

9 Situationsanalyse 19

9.1 Erhebung des Ist-Zustandes 199.2 Beurteilung der Datengrundlage 199.3 Beurteilung der Arsen- und/oder Urankonzentration 209.4 Beurteilungen der natürlichen Schwankungen 209.5 Festlegen von Massnahmen 20

10 Voruntersuchungen 22

11 Lösungsstrategien bei Arsen- und Uranbelastung des Rohwassers 23

11.1 Nutzungsoptionen 2311.2 Wahl des Verfahrens bei tiefen Urankonzentrationen 23

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12 Evaluation alternativer Wasserressourcen 25

12.1 Aufgabe einer Quelle und Erschliessung neuer Ressourcen 2512.2 Saisonale Nutzung 2512.3 Verdünnung/Mischung 25

13 Arsen- und Uranentfernung 26

13.1 Optionen zur Entfernung von Arsen 2613.2 Optionen für die Entfernung von Uran 2813.3 Zweistufige Entfernung von Arsen und Uran 3013.4 Wahl eines optimalen Verfahrens 30

14 Planung und Massnahmen 32

15 Betrieb und Unterhalt von Misch- und Filteranlagen 34

15.1 Betrieb von Mischanlagen 3415.2 Betrieb von Filteranlagen 3415.3 Arbeitssicherheit 3615.4 Störfall/Unterbruch 37

16 Transport und Entsorgung 38

16.1 Entsorgung von Filterabfällen 3816.2 Transport von Filterabfällen 39

Weiterführende Literatur 40


VORWORT

Damit Trinkwasser in der Schweiz an die Konsumenten abgegeben werden kann, müssen nebst ästhe-tischen Aspekten wie Geschmack, Geruch und Aussehen hygienische sowie physikalisch-chemische Anforderungen erfüllt sein. Die physikalisch-chemischen Parameter sind in der Fremd- und Inhaltsstoff-verordnung (FIV) festgelegt. Darin sind unter anderem Höchstkonzentrationen von Stoffen festgelegt, die nicht überschritten werden dürfen. Bei der Revision der FIV (in Kraft seit dem 1. Januar 2014) wur-de anhand von neuen wissenschaftlichen Studien ein strengerer Grenzwert für Arsen festgelegt und ein neuer Grenzwert für Uran definiert. Durch die Verschärfung/Neuaufnahme dieser Grenzwerte sind vereinzelte Gemeinden in der Schweiz gezwungen, bis 2019 Massnahmen zu ergreifen. Da es sich bei dieser Verschärfung der gesetzlichen Anforderungen um eine für die Schweizer Wasserversorger neue Herausforderung handelt, die im Rahmen der Selbstkontrolle einzuhalten ist, hat der SVGW zusammen mit Experten der Eawag eine Empfehlung ausgearbeitet, wie mit erhöhten Arsen- und Uranwerten in der Trinkwasserversorgung umgegangen werden soll.

Die Ausarbeitung wurde vom Forschungsfonds Wasser FOWA (Projektnr. 003-12) des SVGW finanziert. Diese Empfehlung wurde von Ralph Sonderegger (SVGW/Eawag), Dr. Paul Borer (Eawag) und Dr. Ste-phan Hug (Eawag) verfasst und im Anschluss verschiedenen spezialisierten Institutionen und Arbeits-gruppen (BLV, VKCS, SVGW intern) zur Stellungnahme vorgelegt.

Allfällige durch den Stand der Gesetzgebung und die technische Entwicklung notwendig werdende Änderungen an dieser Empfehlung können, sofern sie nicht von tiefgreifender Natur sind, von der Ge-schäftsstelle des SVGW vorgenommen werden.

Die vorliegende Empfehlung wurde durch den Vorstand am 12. März 2015 verabschiedet und auf den 1. Mai 2015 in Kraft gesetzt.


1 Zielsetzung und Geltungsbereich

Die vorliegende Empfehlung ist als Leitfaden für Wasserversorgungen, Gemeinden, Anlage-bauer und Ingenieurbüros konzipiert. Sie soll der Unterstützung im Umgang mit dem Problem «Geogene Spurenstoffe im Trinkwasser» dienen, da mit der Verschärfung des Grenzwertes für Arsen und dem neuen Grenzwert für Uran in der Schweiz eine neue Herausforderung für Wasserversorger entstanden ist. Das Dokument liefert Hintergrundinformationen zur Proble-matik in der Schweiz und gibt Aufschluss darüber, welche Massnahmen, im Rahmen der durch die Lebensmittelgesetzgebung vorgeschriebenen Selbstkontrolle, von den betroffenen Was-serversorgern ergriffen werden können. Die Empfehlung umfasst nebst der Beschreibung zur Aufbereitung von arsen- und/oder uranhaltigem Wasser auch ökonomische Überlegungen und Orientierungshilfen zum Betrieb und Unterhalt von möglichen Anlagen.

2 Aufbau der Empfehlung

Die Empfehlung ist wie folgt strukturiert:

• Zielsetzung, Aufbau, Begriffe und Definitionen sowie Abkürzungen: Kapitel 1– 5

• Gesetzliche Regelungen, Richtlinien und Normen: Kapitel 5 – 6

• Einführung in die Problematik: Kapitel 7

• Vorgehen zur Verminderung der Arsen- und Urankonzentrationen: ab Kapitel 8

• Situationsanalyse, Voruntersuchungen, Sicherstellung der Wasserversorgung: Kapitel 9 –10

• Methoden zur Arsen- und Uranentfernung: Kapitel 12 –13

• Planung, Betrieb, Unterhalt, Überwachung, Transport und Entsorgung: Kapitel 14 –16

Detaillierte Literaturangaben sind im Kapitel «Weiterführende Literatur» am Schluss der Emp-fehlung aufgeführt.


3 Begriffe und Definitionen

AktivitätAnzahl der in einem Zeitintervall auftretenden Kernumwandlungen eines Radionuklids pro Zeit-intervall. Die Einheit der Aktivität ist Becquerel (Bq). 1 Bq entspricht einem Zerfall pro Sekunde.

BeladungBezeichnung für die Menge eines adsorbierten Schadstoffs an einem Adsorbent (Filtermaterial) bezogen auf dessen Masse. Die Beladung wird oft in gSchadstoff pro kgAdsorbent angegeben.

Bettvolumen (BV)Volumen des gepackten Filtermaterials im Festbettfilter. Die Menge an Wasser, die mit einem bestimmten Festbettfilter aufbereitet werden kann, wird meist als Anzahl Bettvolumen (z.B. 10000 BV) angegeben.

ChemotoxizitätToxizität, die durch die chemische Interaktion eines Schadstoffes mit Organen und Geweben entsteht (vergleiche Radiotoxizität).

Durchbruchskurve/DurchbruchDie Durchbruchskurve zeigt den Verlauf der Konzentrationen eines Schadstoffes nach dem Filter/Ionentauscher als Funktion des behandelten Wasservolumens (in Bettvolumen). Der voll-ständige Durchbruch eines Stoffes ist erreicht, wenn die Ablaufkonzentration des betrachteten Schadstoffes der Zulaufkonzentration entspricht.

MembranfiltrationTrennverfahren, bei dem mittels einer Membran Partikel oder Moleküle aus dem Wasser ab-getrennt werden. Die Selektivität hängt von der Porengrösse der Membran ab. Zur Entfernung von Spurenstoffen sind Nanofiltration und Umkehrosmose (engl. reverse osmosis) geeignet.

Fällung und FlockungDurch Zugabe von Chemikalien, meist Fe(II)-, Fe(III)- und Al(III)-Salzen, werden kleine Festpha-senpartikel und Flocken gebildet, die gelöste Stoffe an sich binden können. Die Flockenbildung ermöglicht eine einfachere Entfernung durch Sedimentation (siehe Sedimentation) oder Filtration.

GrenzwertDer Grenzwert ist die Höchstkonzentration, bei dessen Überschreitung das Lebensmittel für die menschliche Ernährung als ungeeignet gilt. Die Grenzwerte für chemische Substanzen im Trinkwasser sind in der Fremd- und Inhaltsstoffverordnung (FIV) festgelegt.

Hazard analysis and critical control points (HACCP)Konzept in der Lebensmittelindustrie zur Beurteilung des Produktionsablaufes anhand einer vorbeugenden Gefahrenanalyse und durch Lenkung und Beherrschung von Prozessen an «Lenkungspunkten» (kritische Kontrollpunkte, CCP) mit dem Ziel, jederzeit ein qualitativ ein-wandfreies Lebensmittel abzugeben.

IonenaustauschMethode zur Entfernung oder zum Austausch von Ionen aus Wasser. Unerwünschte Ionen oder geladene Schadstoffe werden gegen unschädliche Ionen ausgetauscht.

Interventionswert (Sollwert)Wert, der anhand des HACCP-Konzeptes bestimmt wurde und Sofortmassnahmen erfordert, wenn er überschritten bzw. unterschritten wird.


Ionisierende StrahlungBezeichnung für jede Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung, die Elektronen aus Atomen oder Molekülen «schlagen» kann, sodass geladene Ionen oder Molekülreste zurückbleiben. Es werden 3 Arten unterschieden:

• Alphastrahlung: Teilchenstrahlung, die aus Alphateilchen (Heliumkerne) besteht

• Betastrahlung: Teilchenstrahlung, die aus Betateilchen (Elektronen) besteht

• Gammastrahlung: hochenergetische elektromagnetische Strahlung (Photonenstrahlung)

RadioaktivitätEigenschaft instabiler Atomkerne (Radionuklide), sich spontan in andere Atomkerne umzuwan-deln und dabei ionisierende Strahlung und/oder Partikel auszusenden.

RadiotoxizitätToxizität, die sich durch die Strahlung eines Radionuklides im Körper ergibt.

RohwasserNicht aufbereitetes Wasser wie zum Beispiel Grund-, Fluss- und Seewasser.

SedimentationAbsetzen von Partikeln aus Wasser aufgrund der Schwerkraft. Je grösser und dichter die Teil-chen, desto höher ist die Sedimentationsrate.

SorptionÜberbegriff für die Prozesse der Absorption (Einlagerung von gelösten oder gasförmigen Ionen oder Moleküle in Festphasen) und der Adsorption (Anlagerung von gelösten oder gasförmigen Ionen oder Molekülen an Oberflächen von Festphasen).

SonderabfallAbfälle, die aufgrund ihrer schädigenden Wirkungen auf die Umwelt oder Menschen einer spe-ziellen Behandlung bedürfen.

SpeziesEine chemische Spezies wird definiert als bestimmte chemische Form, in der ein Element vor-liegt (z.B. Oxidationszustand des Elementes und Molekülstruktur der Verbindungen).

SpeziierungDie Verteilung der verschiedenen Spezies eines Elements in einem definierten, sich im Gleich-gewicht befindenden System.

StrahlendosisGrösse für die Auswirkung von ionisierender Strahlung in Materie. Eine Dosis pro Zeiteinheit wird Dosisleistung genannt.


4 Abkürzungsverzeichnis

As Arsen

BAFU Bundesamt für Umwelt

BAG Bundesamt für Gesundheit

BLV Bundesamt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen

DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches

SVGW Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches

U Uran

WHO World Health Organization (Weltgesundheitsorganisation)

5 Gesetzliche Vorgaben und normative Verweisungen

5.1 Gesetze und Verordnungen

• Bundesgesetz über Lebensmittel und Gebrauchsgegenstände (Lebensmittelgesetz, LMG), 817.0, Stand: 1. Oktober 2013

• Lebensmittel- und Gebrauchsgegenständeverordnung (LGV), 817.02 Stand: 1. Januar 2014

• Hygieneverordnung des EDI (HyV), 817.024.1, Stand: 1. Januar 2014

• Verordnung des EDI über Fremd- und Inhaltsstoffe in Lebensmitteln (Fremd- und Inhalts-stoffverordnung, FIV), 817.021.23, Stand: 1. Januar 2014.

• Verordnung des EDI über Trink-, Quell- und Mineralwasser, 817.022.102, Stand: 1. Januar 2014

• Strahlenschutzgesetz (StSG), 814.50, Stand: 1. Januar 2007

• Strahlenschutzverordnung (StSV), 814.501, Stand: 1. Januar 2014

• Technische Verordnung über Abfälle (TVA), 814.600, Stand: 1. Juli 2011

• Verordnung über den Verkehr mit Abfällen (VeVA), 814.610, Stand: 1. Mai 2014

• Verordnung des UVEK über Listen zum Verkehr mit Abfällen, 814.610.1, Stand: 1. Januar 2010

• Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Strasse (ADR)

Alle eidgenössischen Gesetze und Verordnungen und ihre Änderungen können unter www.admin.ch/ch/d/sr/sr.html heruntergeladen werden.

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5.2 Normen, Richtlinien, Wegleitungen

5.2.1 Normen

• DVGW Technische Regel Arbeitsblatt W 213-5 (A) (2013). Filtrationsverfahren zur Partikel-entfernung. Teil 5: Membranfiltration. DVGW, Bonn, Deutschland

• DVGW Technische Regel Arbeitsblatt W 216 (2004). Versorgung mit unterschiedlichen Trinkwässern. DVGW, Bonn, Deutschland

• DVGW Technische Regel Arbeitsblatt W 218 (1998). Flockung in der Wasseraufbereitung – Flockungstestverfahren. DVGW, Bonn, Deutschland

• DVGW Technische Regel Arbeitsblatt W 249 (2012). Entfernung von Arsen, Nickel und Uran bei der Wasseraufbereitung, DVGW, Bonn, Deutschland

• DVGW Technische Mitteilung Hinweis W 253 (2008). Trinkwasserversorgung und Radioak-tivität. DVGW, Bonn, Deutschland

• DVGW-Rundschreiben W 01/08. Uran im Roh- und Trinkwasser – Aktueller Sachstand und Empfehlungen des DVGW

5.2.2 Richtlinien und Empfehlungen des SVGW

• SVGW W1: Richtlinie für die Qualitätsüberwachung in der Trinkwasserversorgung

• SVGW W4: Richtlinie für Wasserverteilung

• SVGW W10: Richtlinie für Projektierung, Ausführung und Betrieb von Quellfassungen

• SVGW W1002: Empfehlung für ein einfaches Qualitätssicherungssystem für Wasserver-sorgungen

• SVGW W1005: Empfehlung zur strategischen Planung von Wasserversorgungen

Richtlinien und Empfehlungen können beim SVGW, Postfach 2110, 8027 Zürich, bezogen werden (www.svgw.ch).

5.2.3 Wegleitungen und Praxishilfen

• Bundesamt für Gesundheit (BAG), 2010. Anerkannte Aufbereitungsverfahren für Trinkwasser

• Bundesamt für Gesundheit (BAG), 2005. Informationsschreiben Nr. 109: Zulässige Mittel und Verfahren zur Aufbereitung und Desinfektion von Trinkwasser

• World Health Organization (WHO), 2011. Guidelines for drinking-water quality. Fourth Edi-tion. World Health Organization, Switzerland, Geneva. ISBN: 978-92-4-154815-1

• United States Environmental Protection Agency (EPA), 2003. Arsenic Treatment Technolo-gy Evaluation Handbook for Small Systems. Environmental Protection Agency, United States of America, Washington, D.C.

• United States Environmental Protection Agency (EPA), 2000. Technologies and Costs for Removal of Arsenic from Drinking Water. Environmental Protection Agency, United States of America, Washington, D.C.

• Bundesministerium für Bildung und Forschung und Deutscher Verein des Gas- und Was-serfaches (DVGW), 2009. Schlussbericht zum Verbundprojekt Uranentfernung in der Trink-wasseraufbereitung

• Suva, 2012. Factsheet ionisierende Strahlung. www.suva.ch/arbeitsmedizin

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6 Ausgangslage

6.1 Revision der FIV

Seit dem 1. Januar 2014 ist die revidierte Fremd- und Inhaltsstoffverordnung (FIV) in Kraft. Die FIV regelt die Höchstwerte (Toleranz- und Grenzwerte) an Fremd- und Inhaltsstoffen, die in Lebensmitteln und daher auch im Trinkwasser vorkommen dürfen. Für die Festlegung von Grenzwerten werden vom Bundesamt für Gesundheit im Allgemeinen die WHO Guidelines for Drinking Water Quality (WHO, 2012), EU-Richtlinien sowie Unterlagen von weiteren Exper-tengremien und eigene Abklärungen beigezogen (Bucheli et al., 2012). Die wichtigsten Ände-rungen in der FIV bezüglich geogener Spurenstoffe sind die Senkung des Arsengrenzwertes von 50 µg/L auf 10 µg/L und die Aufnahme eines Grenzwerts für Uran von 30 µg/L.

Die Senkung des Grenzwertes von Arsen beruht auf neuen toxikologischen und epidemiolo-gischen Studien und Empfehlungen der WHO. Bislang wurde angenommen, dass der Grenz-wert von 50 µg/L einen ausreichenden Gesundheitsschutz bietet. Die neuen Bewertungen le-gen jedoch nahe, dass ein Höchstwert von 10 µg/L angestrebt werden sollte.

Für Uran waren in der FIV bisher lediglich Höchstwerte in Lebensmitteln für die spezifische Ak-tivität von Radionukliden der Uranreihe festgelegt. Der Höchstwert in flüssigen Lebensmitteln liegt bei 10 Bq/kg. Die chemische Toxizität von Uran wurde vor der Revision der FIV allerdings nicht berücksichtigt. Für Uran ist jedoch die chemische Toxizität (Nierentoxizität) von grösserer Bedeutung als die Radioaktivität. Deshalb wurde die aus epidemiologischen Studien abgelei-tete Empfehlung der WHO (30 µg/L) übernommen.

Um Gemeinden und Wasserversorgungen, die durch die Verschärfung der rechtlichen Situati-on betroffen sind, nicht vor unverhältnismässige Probleme zu stellen, wird eine Übergangsfrist von 5 Jahren gewährt. Ab dem 1. Januar 2019 darf kein Trinkwasser, das die Grenzwerte von Arsen und Uran überschreitet, an die Konsumenten abgegeben werden. Bis dahin können die betroffenen Wasserversorgungen entsprechende Massnahmen zur Senkung der Arsen- und Urangehalte treffen. Von den neuen gesetzlichen Regelungen sind jedoch nur wenige Gemein-den, vornehmlich im Alpenraum, betroffen (siehe Kap. 7.1.3 und 7.2.3).

6.2 Selbstkontrolle

Die mikrobiologischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasser einer Trink-wasserfassung werden im Rahmen der Selbstkontrolle einer Wasserversorgung nach dem HACCP-Konzept analysiert und bewertet. Diese Bewertung stützt sich auf Messergebnisse, die die Wasserqualität bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen abbilden und somit auch die natürlichen Schwankungen der Qualität erkennen lassen. Rechtliche Grundlage für die An-wendung dieses Qualitätssicherungsinstrumentes sind die Bestimmungen zur Selbstkontrolle gemäss der Lebensmittel- und Gebrauchsgegenständeverordnung (LGV).

Mit dem HACCP-Konzept werden spezifische Gefahren, die zu einer Erkrankung des Konsu-menten führen könnten, frühzeitig erkannt und die Beherrschung der Gefahr sichergestellt. Dabei wird der Herstellungsprozess auf mögliche Gefahren hin untersucht und Massnahmen zu deren Eliminierung oder Verminderung festgelegt. Unter «Gefahr» ist eine Verunreinigung des Trinkwassers zu verstehen, durch die die Gesundheit der Verbraucher gefährdet wird. Als Gefährdungssituation wird ein Ereignis oder ein Umstand bezeichnet, der dazu führt bzw. füh-ren kann, dass die Verunreinigung eintritt.

Die HACCP dient zudem dazu, kritische Kontrollpunkte (CCP, Critical Control Points) zu iden-tifizieren, die beherrscht werden müssen. Ein CCP ist ein Punkt bzw. Schritt im Prozessablauf, an dem mit einem kontrollier- und steuerbaren Verfahren eine Gefahr vermieden, ausgeschal-tet oder auf ein akzeptables Minimum reduziert werden kann. Für einen CCP gelten folgende Bedingungen:

• Es muss die Möglichkeit bestehen, bei diesem Prozessschritt Massnahmen zu ergreifen, um die Gefahr zu beseitigen oder zu verringern.

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• Überwachungsparameter für den Prozessschritt müssen festgelegt werden sowie Soll-werte, bei deren Über- oder Unterschreitungen die Massnahmen ausgelöst werden.

• Der Prozessschritt muss kontinuierlich oder zumindest quasikontinuierlich überwacht wer-den können.

Grundsätzlich muss von der Nutzung eines Rohwassers zur Trinkwasserversorgung abgese-hen werden, wenn eine kritische Gefährdungssituation vorliegt, die nicht durch die Überwa-chung mit kontinuierlich messbaren Parametern beherrscht werden kann.

Die obengenannten Anforderungen an die HACCP als Element der Selbstkontrolle gelten un-eingeschränkt auch bei Wässern, die Arsen oder Uran in einer problematischen Konzentration enthalten, sprich in einer Konzentration über dem Grenzwert gemäss FIV. Einzig der Gesichts-punkt, dass das Trinkwasser bei ungenügender Aufbereitung nicht akut gesundheitsgefähr-dend ist, macht eine Nutzung trotz fehlender kontinuierlich überwachbarer Sollwerte am CCP der Arsen- bzw. Uranentfernung überhaupt zulässig. Es bleibt aber die Verpflichtung der Was-serversorger, ein möglichst hohes Absicherungsniveau zu erreichen und dieses im Rahmen der Selbstkontrolle nachzuweisen. Soweit es nicht möglich ist, den Aufbereitungsschritt der Arsen-/Uranentfernung mit kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Überwachungs-Para-metern zu kontrollieren, müssen andere (diskontinuierliche) Überwachungsparameter so fest-gelegt werden, dass ein angemessen hohes Absicherungsniveau erreicht wird. Das erreichte Absicherungsniveau muss dem Niveau möglichst nahe kommen, das bei der obengenannten Anwendung eines HACCP-Konzeptes erreicht wird.

7 Grundlagen geogene Spurenstoffe

7.1 Arsen

7.1.1 Eigenschaften

Das toxische Halbmetall Arsen tritt natürlich in mehr als 200 verschiedenen Mineralien in der Erdkruste auf, vorwiegend in sulfidischen Erzen. Auch in Sedimenten, Gewässern und Orga-nismen kann Arsen gefunden werden. Durch eine Kombination von natürlichen und anthropo-genen Prozessen wird Arsen mobilisiert und gelangt in das Grund- und Trinkwasser. Natür-liche Prozesse umfassen Verwitterungsreaktionen, Mineralauflösungen, biologische Aktivität und Vulkanaktivität. Natürliche Arsenmobilisierung ist der bei Weitem wichtigste Mechanismus. Anthropogene Aktivitäten wie Bergbau, Metallaufbereitung, Verbrennung von fossilen Brenn-stoffen, Gebrauch von arsenhaltigen Pestiziden und der Gebrauch als Zusatzstoff in Tierfutter können lokal zu übermässigen Arsenbelastungen in Böden und im Grundwasser führen. Die Mobilisierung von Arsen im Untergrund hängt wesentlich von den vorherrschenden geoche-mischen Bedingungen ab. Arsen wird hauptsächlich unter sauerstoffarmen Bedingungen (Re-doxpotential < 200 mV) mobilisiert. Unter stark reduzierenden Bedingungen mit hohen Kon-zentrationen an reduzierten Schwefelverbindungen kommt es hingegen zur Ausfällung von diversen Sulfidmineralien. In oxidierendem Milieu liegt Arsen vorwiegend als das fünfwertige Arsenat (As(V)) vor und ist aufgrund starker Adsorption an Festphasen weniger mobil als das reduzierte, dreiwertige Arsenit (As(III)).

7.1.2 Aquatische Arsenchemie

Im Wasser liegt Arsen fast ausschliesslich als anorganisches dreiwertiges Arsenit (As(III)) oder fünfwertiges Arsenat (As(V)) vor. Die genauere chemische Form (Speziierung) (Abb. 1) wird vom Redoxpotential und vom pH-Wert bestimmt. Unter oxidierenden (sauerstoffreichen) Bedin-gungen dominiert Arsenat, unter sauerstoffarmen Bedingungen Arsenit. Die chemische Form ist ausschlaggebend für die Mobilität und die Entfernbarkeit von Arsen aus Trink- und Grund-wasser. Während das Redoxmilieu den Oxidationszustand des Arsens bestimmt, definiert der pH-Wert die Dissoziation des Arsenats und des Arsenits. Arsenit liegt bei pH-Werten kleiner als 9.2 als ungeladene dreiwertige arsenige Säure H3AsO3 vor, während beim Arsenat im für Trink-wasser relevanten pH-Bereich (6 – 9) negativ geladene Anionen (H2AsO4

- und HAsO42-) dominie-

ren. Aufgrund seiner Ladungsneutralität ist Arsenit schlechter entfernbar als Arsenat, weshalb

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in der Regel eine vorgängige Oxidation von As(III) zu As(V) für die Entfernung notwendig ist (vergl. Kap. 13.1.1). In Oberflächengewässern können zusätzlich zu anorganischen Arsenver-bindungen auch organische Formen auftreten. Diese sind jedoch für Trinkwasser selten rele-vant (Smedley and Kinniburgh, 2002).

Abb. 1 Arsenat (links) und Arsenit (rechts) Speziierung als Funktion des pH-Werts (Ionenstärke: 0.001M; erstellt mit Visual Minteq,Version 3.0, 2012)

7.1.3 Arsen im Schweizer Trinkwasser

In der Schweiz sind drei Regionen mit erhöhten natürlichen Arsengehalten bekannt: Die Nord-schweiz, wo viele arsenhaltige Mineral- und Thermalquellen zu finden sind, der Jura mit seinen eisenhaltigen Tonen und Kalken und die Alpen, in denen arsenhaltige Erzlagerstätten und Kri-stallingesteine mit erhöhten Arsengehalten auftreten. Verschiedene Messkampagnen haben gezeigt, dass vor allem in den Regionen Val Isone, Val Colla, Malcantone und bei Barbegno Morcote im Tessin, im Puschlav in Graubünden und im Gebiet um Martigny, im Goms, im Löt-schental und im Nikolaital im Wallis in einzelnen Quellen der neue Grenzwert im Trinkwasser teilweise überschritten wird (Pfeifer and Zobrist, 2002).

In einer Messkampagne (Haldimann et al., 2005) wurden 1297 Wasserproben von Quellen und öffentlichen Trinkwasserwerken in allen Gemeinden im Kanton Wallis analysiert. In 89 Proben (6,9%) aus 33 verschiedenen Gemeinden wurden Arsenkonzentrationen über 10 μg/L gemes-sen. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Arsen im Trinkwasser und Krebserkrankungen konnte für das Wallis aber nicht nachgewiesen werden (Brüschweiler et al., 2005).

7.1.4 Auswirkungen auf die Gesundheit

Die Toxizität von Arsen wird durch die chemische Form und den Oxidationszustand bestimmt. Die höchste Giftigkeit weist das flüchtige Arsin (AsH3) auf. Das dreiwertige und mobilere Ar-senit (As(III)) gilt als unmittelbar schädlicher als das fünfwertige Arsenat (As(V)). Organische Arsenverbindungen sind meist wesentlich weniger toxisch als anorganische Verbindungen. Im Trinkwasser liegt Arsen vorwiegend als Arsenat (oxidierende Bedingungen) und als Arsenit (re-duzierende Bedingungen) vor.

Bei den Gesundheitseffekten muss zwischen akuten und chronischen Effekten unterschieden werden. Symptome von akuter Arsenvergiftung sind Erbrechen, Durchfall, Taubheit der Ex-tremitäten, Muskelkrämpfe und in extremen Fällen Tod. Akute Vergiftungen sind jedoch nicht relevant für Trinkwasser. Problematisch ist hier die langfristige (chronische) Arsenaufnahme mit Trinkwasser. Chronische Arsenaufnahmen mit Trinkwasser im Bereich von 50 bis 1000 μg/L führen zu Hautläsionen und Hautpigmentierung, Krebs (Haut-, Lungen-, Nieren-, Leber- oder

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Prostatakrebs) und weiteren Beeinträchtigungen (Diabetes, Fehlgeburten, Organschäden usw.). Arsenkonzentrationen unter 50 μg/L führen meist zu keinen sichtbaren Veränderungen, erhöhen jedoch trotzdem das zur Arsenkonzentration proportionale Krebsrisiko. Die Interna-tionale Agentur für Krebsforschung IARC (engl. International Agency for Research on Cancer) stuft Arsen in die Gruppe 1 (bekanntermassen krebserregend für Menschen) ein, was bedeu-tet, dass genügend Beweise für die karzinogene Wirkung in Menschen existieren. Es wird geschätzt, dass das zusätzliche Krebsrisiko durch den täglichen Konsum von Trinkwasser mit einer Arsenkonzentration von 50 μg/L 1:100 beträgt (Smith et al., 1999).

7.2 Uran

Uran ist ein geogenes, natürliches Schwermetall und kommt in zahlreichen Mineralien in der Erdkruste (2,7–3,0 mg/kg) vor. Uran tritt meist in Form von Begleitmineralien in silikathaltigen magmatischen Gesteinen (z.B. Granit) auf. Uran gehört zu den schwersten natürlich vorkom-menden Elementen und setzt sich aus vier Radioisotopen zusammen (Massenzahlen 238, 236, 235, 234). Alle Isotope sind α-Strahler (spezifische Aktivität von natürlichem Uran 25,6 Bq/mg) und besitzen lange Halbwertszeiten von bis zu 4,5 Milliarden Jahren. Die beiden Isotope U-238 und U-235 sind Ausgangsnuklide für zwei natürliche Zerfallsreihen (Uran-Radium-Reihe und Uran-Actinum-Reihe), die zur Bildung von anderen radioaktiven Elementen wie zum Beispiel Radium oder Radon führen. Neben der Radioaktivität zeichnet sich Uran durch eine hohe che-mische Reaktivität aus und bildet eine Vielzahl an Verbindungen mit anderen Elementen. Durch Auswaschung von natürlichen Ablagerungen, Bergbauaktivitäten und Erzaufbereitung, Emissi-onen der Nuklearindustrie, Verbrennung von Kohle und anderen fossilen Brennstoffen und den Einsatz von uranhaltigem Phosphatdünger gelangt Uran in Grund- und Oberflächengewässer. Erhöhte Urangehalte in Schweizer Trinkwasser ist hauptsächlich geogen bedingt (Bucheli et al., 2012). Wie fürs Arsen spielen die Redoxbedingungen für die Mobilität eine entscheidende Rolle. In der Natur sind die Oxidationsstufen +4 und +6 stabil. Während vierwertige, natürliche Uranverbindungen meist nahezu unlöslich sind, sind die oxidierten Uran(VI)-Verbindungen gut wasserlöslich.

Abb. 2 Uranspeziierung im geschlossenen Wasser-Carbonat-System. Urankonzentration: 28 μg/L; Carbonatkonzentration: 60 mg/L als CO3

2- (1 mM); ohne Calcium (links) und mit 20 mg/L Calcium (rechts), Erstellt mit Phreeqc (Version 3)

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7.2.2 Aquatische Uranchemie

Obwohl Uran in der aquatischen Umwelt ubiquitär ist, sind die Konzentrationen in der Regel tief. Erhöhte Urankonzentrationen sind vor allem in oxidierten und carbonathaltigen Grund-wässern zu finden. In tiefen Redoxpotentialbereichen ist Uran vorwiegend immobilisiert (un-lösliches U(IV), zum Beispiel UO2). Verantwortlich für die gute Löslichkeit von sechswertigem Uran ist das Uranylkation UO2

2+, das mit einer Vielzahl von Liganden (z.B. Carbonat, Phosphat) stabile Komplexe bildet und in vielfältigen pH und ionenabhängigen Speziierungen vorliegt. Im Wasser dominiert im sehr sauren Bereich das Uranylkation. Mit ansteigendem pH-Wert bilden sich neutrale und einfach bis mehrfach negative geladene Uranylkomplexe. In carbonathal-tigem Wasser wird die Speziierung im pH-Bereich von 6 bis 12 durch Uranylcarbonatkomplexe bestimmt (Abb. 2). Mit diversen weiteren Liganden (Phosphat, Sulfat, Chlorid und Fluorid) bildet das Uranyl ebenfalls verschiedene Komplexe. Des Weiteren können auch organische Liganden (am wichtigsten für Trinkwasser: natürliches organisches Material [Natural Organic Matter]) mit Uran Komplexe bilden. Eine grosse Bedeutung haben Calcium und Magnesium: Beide Ele-mente beeinflussen die Uranspeziierung. Vor allem Calcium führt im pH-Bereich von 6 bis 10 zur Bildung der Komplexe Ca2UO2(CO3)30 und CaUO2(CO3)32- (Abb. 2). Solche Erdalkalikom-plexe können einen negativen Einfluss auf das Sorptionsverhalten von Uran haben. Die genaue Kenntnis der chemischen Uranspeziierung spielt deshalb für die Beurteilung von Verfahren zur Uranentfernung eine wichtige Rolle. Als Beispiel ist in Abbildung 2 die chemische Speziierung von Uran in einem geschlossenen Carbonat-Wasser-System ohne und mit Calcium gezeigt.

7.2.3 Uran im Schweizer Trinkwasser

Die Konzentrationen von Uran sind im Schweizer Trinkwasser in der Regel sehr gering. Trotz-dem können lokal erhöhte Werte auftreten. Zwischen 2003 und 2011 wurde eine schweizweite Erhebung zu Urankonzentrationen im Trinkwasser durchgeführt, bei der insgesamt 5548 Pro-ben untersucht wurden (Stalder et al., 2012). In 2% der Proben wurden Urankonzentrationen zwischen 15 und 30 μg/L gefunden. Alle diese Proben stammten aus den Kantonen Freiburg, Graubünden, Tessin und Wallis. In sechs Gemeinden (alle im Kanton Wallis; 0,3% aller Proben) wurden Urankonzentrationen über 30 μg/L festgestellt.

7.2.4 Auswirkungen auf die Gesundheit

Um das Gefahrenpotenzial von Uran für Organismen zu beurteilen, muss zwischen Radiotoxi-zität und Chemotoxizität unterschieden werden:

Die Radiotoxizität wird durch den Zerfall des Urans und die dabei freigesetzte α-Strahlung verursacht. Die Strahlenbelastung durch Uran im Trinkwasser trägt jedoch nur zu einem sehr geringen Anteil zu der durchschnittlichen totalen Strahlenbelastung bei (BfS, 2009).

Chemotoxizität, also die chemische Interaktion von aufgenommenem Uran mit Organen oder Geweben, wird als schwerwiegender eingestuft als die Radiotoxizität. Uran ist nierentoxisch (ähnliche, leicht schwächer ausgeprägte Wirkung wie Blei oder Cadmium). Die Toxizität hängt sowohl von der Dosis als auch von der chemischen Form ab, in der Uran vorliegt. Ein Grossteil des aufgenommenen Urans wird über die Nieren wieder ausgeschieden. Der restliche Teil kann sich in den Nieren und in den Knochen akkumulieren. Eine kurzfristige Aufnahme von grösseren Uranmengen kann zu schweren Nierenschäden führen. Für die langfristige Aufnahme von Uran (relevant für Trinkwasser) konnte die Nierentoxizität bisher noch nicht eindeutig belegt werden. Allerdings gibt es erste Anzeichen für Veränderungen der Nierenfunktion, die eine chronisch-toxische Wirkungsweise vermuten lassen (WHO, 2005; Kurttio et al., 2002).

7.3 Entfernung von Arsen und Uran durch bestehende Aufbereitungsprozesse

Arsen und Uran werden mit anerkannten allgemeinen Wasseraufbereitungsverfahren (Vollzugs-hilfe Anerkannte Aufbereitungsverfahren für Trinkwasser des BLV) vergleichsweise schlecht entfernt. Detailliertere Informationen sind im Technischen Regel-Arbeitsblatt W249 des DVGW (Entfernung von Arsen, Nickel und Uran bei der Wasseraufbereitung) aufgeführt.

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7.3.1 Arsen

Arsen kann teilweise mit folgenden konventionellen Verfahren der Wasseraufbereitung aus dem Wasser entfernt werden: Fällung und Flockung mit Eisen- oder Aluminiumsalzen zur Trübstoff-entfernung führt in der Regel zu einer simultanen Reduktion von Arsen und gilt auch als ge-zieltes Verfahren zur Arsenentfernung (Kap.13.1.3). Auch eine Enteisenung und Entmanganung kann als Nebeneffekt die Entfernung von Arsen haben. Allerdings muss hierbei ein genügend hoher Eisengehalt im Rohwasser vorhanden sein. Je nach Beschaffenheit des Rohwassers muss zusätzliches Eisen und allenfalls ein Oxidationsmittel zudosiert werden. Zudem muss evtl. der pH-Wert angepasst werden. Des Weiteren können Membranverfahren (Nanofiltration oder Umkehrosmose) Arsen zurückhalten (Kap. 13.1.4). Membranverfahren werden hauptsächlich zur Abtrennung von Mikroorganismen (Ultrafiltration), von Spurenstoffen (Nanofiltration), sowie zur Enthärtung bzw. Entsalzung (Umkehrosmose) eingesetzt und die Arsenentfernung kann als Nebeneffekt stattfinden. Das Gleiche gilt für stark basische Ionenaustauscher: Grundsätz-lich ist es möglich, Arsenat zu entfernen, jedoch erfolgt die Elimination nicht selektiv, sondern parallel mit den konkurrierenden Ionen Sulfat und Nitrat. Im Gegensatz zu Arsenat lässt sich Arsenit mit Membranen und Ionenaustauschern weniger effizient entfernen. Weitere Verfahren wie zum Beispiel Entsäuerung durch Belüftung oder Desinfektion (auch Abkochen) beeinflus-sen die Arsenkonzentration im Wasser nicht.

7.3.2 Uran

Mit den folgenden etablierten Verfahren der Trinkwasseraufbereitung kann Uran vergleichs-weise nur schlecht entfernt werden. Mit einigen Verfahren ist eine prinzipielle Entfernung mög-lich, allerdings bestehen Nachteile bezüglich Betriebsbedingungen und Entsorgung von Fil-termaterialien. Durch die Filtration zur Enteisenung kann Uran, abhängig vom Eisengehalt des Rohwassers und der Urankonzentration, zum Teil entfernt werden. Eine sichere Einhaltung des Grenzwertes ist jedoch nicht gewährleistet. Auch durch Flockung (Flockungsfiltration oder Flockung mit Sedimentation) ist nur eine Teilentfernung von Uran möglich. Die Eliminationsef-fizienz hängt vor allem von der Urankonzentration, dem pH-Wert, der Wasserhärte und dem gewählten Flockungsmittel ab. Die Entsorgung von uranhaltigen Flockungsschlämmen muss ebenfalls beachtet und sichergestellt werden. Membranverfahren (Nanofiltration und Umkehr-osmose) ermöglichen eine Entfernung von Uran aus Rohwasser und werden in Kapitel 13.2.2 detaillierter diskutiert.

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8 Vorgehen zur Verminderung von Arsen- und Urankonzentrationen im Trinkwasser

Das vorgestellte Vorgehen ist konzipiert für die zielgerichtete Verminderung von Arsen und Uran im Trinkwasser in Wasserversorgungen. Selektive Technologien zur Arsen- und Uranent-fernung können allenfalls mit bestehenden Anlagen (Enthärtung, pH Anpassung usw.) kombi-niert werden. Das empfohlene Vorgehen ist in Abbildung 3 abgebildet.

Erläuterungen zu Abbildung 3:

• Situationsanalyse In der Situationsanalyse werden die vorhandenen Daten gesammelt und ausgewertet.

• Voruntersuchungen Messungen/Datenerhebungen sind notwendig, falls die bestehende Datengrundlage un-genügend ist. Um die Situation bezüglich Arsen und Uran im Trinkwasser einzuschätzen, sind allenfalls weitere Messungen notwendig. Für eine zielgerichtete Massnahmenplanung ist eine solide Datengrundlage unumgänglich.

• Wahl des Verfahrens Die Wahl des Verfahrens hängt stark von den jeweiligen Konzentrationen von Arsen und Uran sowie von der Wasserbeschaffenheit (Wasserhärte, pH usw.) ab. Die Wahl eines op-timalen Aufbereitungsverfahrens erfolgt in der Regel in Zusammenarbeit mit Anlagenbau-ern oder mit Ingenieurbüros. Die Wahl des Aufbereitungsverfahrens ist ausserdem abhän-gig von den lokalen Gegebenheiten wie Platzverhältnissen respektive Platzbedarf.

• Massnahmenplan Der Massnahmenplan enthält konkrete Angaben zum Projektablauf sowie Vorgaben zum Bau und Unterhalt der Anlagen und zur Prozesskontrolle.

• Projektrealisierung Umfasst die Umsetzung der im Massnahmenplan festgelegten Massnahmen und die Inbe-triebnahme der Anlagen zur Entfernung von Arsen und/oder Uran.

• Prozessüberwachung Prozessüberwachung ist unumgänglich, um eine dauerhafte Versorgung mit einwand-freiem Trinkwasser zu garantieren.

• Instandhaltung Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, sind die Anlagen instand zu halten (Kontrolle, Wartung, Rehabilitation und Reparatur).

Die einzelnen Punkte des vorgestellten Vorgehens werden in den folgenden Kapiteln ausführ-licher beschrieben.

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Situationsanalyse Kapitel 9 und Abbildung 4

Kapitel 10

Kapitel 11–13; Abbildung 5

Kapitel 14

Kapitel 15

Massnahmeplan

Voruntersuchungen

Projektrealisierung

Methodenwahl

Prozessüberwachung/ -evaluierung

Abb. 3 Flussdiagramm zum empfohlenen Vorgehen zur Verminderung der Arsen- und Urankonzentrationen im Trinkwasser

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9 Situationsanalyse

9.1 Erhebung des Ist-Zustandes

Um die bestmögliche Option für die Wasseraufbereitung zu eruieren, ist eine solide Daten-grundlage der Ausgangssituation (Ist-Zustand) notwendig. Grundsätzlich ist zu überprüfen, ob die betrachtete Wasserfassung/Quelle gesetzeskonform genutzt wird/werden kann (Schutz-zone und Konzession), ob die Wasserfassung für die Wasserversorgung in einem bestimmten Gebiet relevant ist und ob die Nutzung der Ressource wirtschaftlich tragbar ist. Sind diese Punkte nicht erfüllt, erübrigt sich eine aufwendige Datenerfassung und Evaluation von Aufbe-reitungsverfahren. Daneben geht es in der Situationsanalyse primär darum, vorhandene Daten zur Wasserqualität und zu den Wasserinhaltsstoffen (Tab. 1) zu sammeln (Messungen des Kan-tonslabors und der Wasserversorger). Optimal wären Datenerhebungen über einen längeren Zeitraum, da Einzelmessungen oftmals nicht repräsentativ sind. Eine solide Datengrundlage umfasst neben Arsen- und Uranmesswerten auch weitere Datenerhebungen zur allgemeinen Wasserqualität und -zusammensetzung. Um abschätzen zu können, ob alle Daten für die optimale Anlageplanung vorhanden sind, kann Tabelle 1 in Kapitel 10 beigezogen werden. Die Checkliste gibt Auskunft darüber, welche Wasserparameter einen Einfluss auf die Planung von Wasseraufbereitungsanlagen respektive auf deren Effizienz und Laufzeit haben können. Die Erfassung der Wasserqualität sollte in al-len genutzten Quellen erfolgen, um klar differenzieren zu können, in welchen die Grenzwerte überschritten werden. Werden Quellen zusammengeführt, sind Messungen im Mischwasser ebenfalls hilfreich. Grundsätzlich sollten Messungen an möglichst vielen Stellen im gesamt-en System (Quellen, Wasserfassungen, Speicherbecken, Verteilnetz) erfolgen, damit festge-stellt werden kann, ob sich die Konzentrationen im Netz verändern. Um Veränderungen im Verteilnetz festzustellen, eignen sich Messungen in Haushalten (Endpunkte des Verteilnetzes). Ebenfalls sollte die Wasserqualität von nutzbaren Wasserressourcen in der Umgebung bekannt sein, damit allenfalls Verdünnungsoptionen oder die Nutzung von anderen Wasserressourcen in Betracht gezogen werden können.

Neben der Überprüfung der Wasserqualität sind weitere Abklärungen im Vorfeld notwendig. So ist die Abschätzung des Wasserbedarfs der Bewohner, die von einer Wasserfassung mit Trinkwasser versorgt werden, wichtig für die Dimensionierung einer potenziellen Anlage. Dafür kann in erster Näherung die Einwohnerzahl betrachtet werden und von 142 Litern Wasser pro Person und Tag für Privathaushalte ausgegangen werden (142 Liter entsprechen dem durch-schnittlichen Wasserverbrauch in Privathaushalten in der Schweiz; sie berücksichtigen keine Wasserbezüge durch Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft; SVGW-Statistik, 2013). Falls ein Genereller Wasserplan (GWP) vorliegt, kann dieser unter Umständen detailliertere Informationen zum Wasserangebot und zur Nachfrage liefern. Für die optimale Dimensionie-rung ist der Anlagenbauer verantwortlich. Trotzdem sind Voruntersuchungen in diesem Bereich hilfreich. Des Weiteren sollten die Platzverhältnisse genauer betrachtet werden. Je nach Grös-se der Anlage muss genügend Platz zur Verfügung stehen. Die genauen Abschätzungen des Platzbedarfs und die Besichtigung vor Ort werden von Anlagenbauern durchgeführt. Eine Vor-betrachtung kann jedoch den zuständigen Experten als erste Einschätzung dienen. Es muss beachtet werden, dass schwierig erreichbares Gelände allenfalls Mehrkosten zur Folge haben kann.

Die Beurteilung der Datengrundlage ist der erste Schritt der Situationsanalyse. Das weitere Vorgehen ist in Abbildung 4 dargestellt.

9.2 Beurteilung der Datengrundlage

Sind keine Messungen, nur sehr wenige Messungen oder nur Messungen mit grosser Un-sicherheit vorhanden, sollten Voruntersuchungen zur Wasserqualität und der Belastung mit Arsen und Uran durchgeführt werden. Für detaillierte Angaben zum Vorgehen siehe Kapitel 10.

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9.3 Beurteilung der Arsen- und/oder Urankonzentration

Überschreiten die gemessenen Konzentrationen von Arsen und/oder Uran die in der FIV fest-gelegten Grenzwerte, müssen geeignete Massnahmen zur Verminderung der Konzentrationen ergriffen werden. Die Auswahl eines geeigneten Verfahrens ist in Kapitel 11 beschrieben. Zu-dem kann Abbildung 5 zur Unterstützung beigezogen werden.

9.4 Beurteilungen der natürlichen Schwankungen

Stoffkonzentrationen im Wasser sind oftmals nicht konstant und können durch Niederschläge und/oder unterschiedliche Aufenthaltszeiten im Aquifer jahreszeitlichen Schwankungen un-terworfen sein. Konzentrationsschwankungen können dazu führen, dass die Grenzwerte nicht während des ganzen Jahres überschritten werden. Um zu bestimmen, ob und wie stark die Schwankungen im Trinkwasser auftreten, empfehlen sich Arsen- und Uranmessungen zu un-terschiedlichen Jahreszeiten und unter variierenden meteorologischen Bedingungen. Es muss jedoch beachtet werden, dass durch Extremereignisse auch kurzfristige Schwankungen auf-treten können.

Liegen Messwerte über längere Zeiträume vor (im besten Fall Messungen verteilt über ganze Jahre), kann die Bandbreite der Konzentrationsschwankungen abgeschätzt werden. Sind alle Messungen unter dem Grenzwert und die Schwankungen nur moderat (ohne Grenzwertüber-schreitungen), sind keine Massnahmen erforderlich.

Bei stärkeren Konzentrationsschwankungen im Rohwasser, die eine zeitweilige Überschrei-tung der Uran- und Arsengrenzwerte im Trinkwasser zur Folge haben können, müssen ent-sprechend dem HACCP-Konzept kritische Kontrollpunkte definiert (SVGW W1) und geeignete Interventionswerte festgelegt werden. Ergänzend zu den Interventionswerten können in einem konservativen Ansatz für Rohwässer ohne Kenntnisse von möglichen Konzentrationsschwan-kungen Richtwerte von 7 µg/L Arsen und 20 µg/L Uran definiert werden. Sind die Konzentrati-onen in allen Messungen tiefer als diese Richtwerte, ist eine gewisse Sicherheit gegeben, dass auch bei Konzentrationsschwankungen im Rohwasser keine Überschreitung der Grenzwerte im Trinkwasser vorkommt.

9.5 Festlegen von Massnahmen

Häufige Routinekontrollen sind zu empfehlen, wenn die Arsen- und Urankonzentrationen in der Nähe der Grenzwerte sind oder definierte Richtwerte überschreiten. In solchen Fällen empfiehlt es sich, die Wasserqualität periodisch zu überprüfen. Die Häufigkeit der Messungen ist so zu wählen, dass innert drei Jahren eine zuverlässige Datenbasis für die Beurteilung der Wasser-qualität vorliegt.

Sind keine Grenzwerte überschritten, die Schwankungen nur moderat oder die Arsen- und Urankonzentrationen unter den Richtwerten, müssen keine Massnahmen ergriffen werden.

Sind Grenzwerte dauerhaft oder sporadisch überschritten, so müssen geeignete Massnahmen getroffen werden (Kap. 11–13).

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Ist die Wasserfassung relevant, rechtskonform

und wirtschaftlich tragbar?Aufgabe der Wasserfassung

Voruntersuchungen

Nein

Ja

Ja

Ja

Ja

Ja

Ja

Nein

Nein

Nein

Nein

Nein

Werden in allen Messungen die Richtwerte As 7 μg/l

und U 20 μg/l nicht überschritten?

Häufigere Routinekontrollen

Liegen alle Messwerte unter den Grenzwerten?

Methodenwahl

Keine Massnahmen

Kapitel 10

Kap

itel 9

.4 u

nd 9

.5

Kapitel 12 und 13; Abbildung 5

Können natürliche Schwankungen, die die

Grenzwerte überschreiten, ausgeschlossen werden?

Sind aussagekräftige Daten zur Wasserqualität inkl.

Arsen und Uran vorhanden?

Arsen und Uran unter den Grenzwerten?

Abb. 4 Flussdiagramm zur Situationsanalyse

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10 Voruntersuchungen

Voruntersuchungen sind notwendig, wenn noch keine Datenerhebungen gemacht wurden oder die Datenlage ungenügend oder mit grossen Unsicherheiten behaftet ist. Um das best-mögliche Wasseraufbereitungsverfahren zu finden, ist eine ausreichende Datengrundlage nicht nur für Arsen- und Urankonzentrationen, sondern auch für die Zusammensetzung des Wassers sowie allgemeine Wasserparameter (pH, elektrische Leitfähigkeit usw.) entscheidend, da die Massnahmen je nach Wasserbeschaffenheit angepasst werden müssen. Eine Checkliste der wichtigsten zu messenden Wasserparameter neben Arsen- und Urankonzentrationen ist in Tabelle 1 gegeben.

Parameter Beschreibung

Sauerstoffkonzentration Aufschluss über das Redoxmilieu, Abschätzung des Oxidationszustandes von Arsen und Uran

pH Abschätzung der Arsen- und Uranspeziierung

Alkalinität Abschätzung des Gehalts von gelöster Kohlensäure und Bicarbonat (Korrosivität des Wassers), wichtig für die Uranspeziierung

Gesamthärte Abschätzung der Wasserzusammensetzung mit den gelösten Hauptkationen Ca2+ und Mg2+, wichtig für die Uranspeziierung

Elektrische Leitfähigkeit Abschätzung der Wasserzusammensetzung (wird bestimmt durch die Konzentrationen der gelösten Hauptionen)

Hauptkationen: Ca2+, Mg2+, K+, Na+ Abschätzung des Einflusses auf die Adsorption von Arsen und Uran und auf die Speziierung von Uran

Hauptanionen: HCO3-, Cl-, SO4

2-, NO3

- (H2SiO4,)Abschätzung der Konkurrenz in Ionenaustauscheranlagen

Gelöster organischer Kohlenstoff Abschätzung der Konkurrenz in Ionenaustauscheranlagen

Gelöstes Eisen (Fe) und Mangan (Mn)

Aufschluss über das Redoxmilieu und den Oxidationszustand von Arsen und Uran

Phosphat Abschätzung der Adsorptionskonkurrenz mit Arsen

Trübung Beeinflusst die Leistung von Ionenaustauschern

Tab. 1 Checkliste zur Datenerhebung

Vorhandene Wasserqualitätsdaten der Wasserversorgung oder des kantonalen Labors sollten auf jeden Fall gesammelt werden. Ist diese Datengrundlage gut genug und sind Messwerte zu al-len in Tabelle 1 aufgeführten Parametern vorhanden, erübrigen sich weitere Voruntersuchungen.

Falls andere Wasserressourcen zur Trinkwassergewinnung oder als Mischwasser in Betracht gezogen werden, sollten auch von diesen Ressourcen genügend Daten über die Wasserzu-sammensetzung und die Arsen- und Urankonzentrationen vorhanden sein.

Fehlen Informationen über die Quellschüttung und den Wasserverbrauch im Versorgungsgebiet einer Wasserfassung, sollten diese ebenfalls ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden. Bei Messungen zur Quellschüttung sollte beachtet werden, dass diese zeitlichen Schwankungen unterworfen sein kann. Die Kenntnis oder Abschätzung des Wasserverbrauchs ist für die Di-mensionierung einer Aufbereitungsanlage entscheidend.

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11 Lösungsstrategien bei Arsen- und Uranbelastung des Rohwassers

11.1 Nutzungsoptionen

Grundsätzlich kann zwischen der Evaluation von alternativen Wasserressourcen (Kap. 12) und der Aufbereitung von bereits genutzten Wasserressourcen mittels technischer Anlagen zur Ar-sen- und Uranentfernung unterschieden werden (Kap. 13). Die Betrachtung von alternativen nutzbaren Quellen ist Teil des (regionalen) Wassermanagements und erlaubt unter Umständen technisch einfachere und kostengünstigere Massnahmen, wie die direkte Nutzung von besser geeigneten Quellen oder die Zumischung von weniger belastetem Wasser zur Konzentrati-onssenkung von Arsen und Uran. Wie in Abbildung 5 gezeigt, sollte zuerst eine Evaluation von alternativen Wasserressourcen erfolgen. Die Möglichkeiten sind detailliert in Kapitel 12 beschrieben. Sind solche Möglichkeiten nicht vorhanden, muss Arsen und/oder Uran aus dem Trinkwasser entfernt werden. Um eine optimale Lösung zu finden, ist zu unterscheiden, ob das Wasser nur Arsen, nur Uran oder beides enthält (Kap. 13).

11.2 Wahl des Verfahrens bei tiefen Urankonzentrationen

Bei der Wahl des Verfahrens zur selektiven Entfernung von Arsen muss ebenfalls die Uran-konzentration betrachtet werden, auch wenn diese den Grenzwert nicht überschreitet. Eine Forschungsarbeit an der Eawag hat gezeigt (Borer et al., 2015), dass die Arsenentfernung mittels Eisen(hydr)oxid-Festbettfilter speziell in weichem Wasser auch Uran entfernt. Dies kann dazu führen, dass sich Uran in spezifischen Anlagen für die Arsenentfernung akkumuliert. Da dadurch radioaktiv belastetes Material entsteht, muss dessen Entsorgung berücksichtigt wer-den. Daher sollte auch bei tiefen Urankonzentrationen, die jedoch eine signifikante Uranakku-mulation im Filtermaterial zur Folge haben können, eine vorgängige selektive Uranentfernung in Betracht gezogen werden (Kap. 13.3).

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Nutzung einer anderen Wasserquelle möglich?

Ja

Ja

Nein

Nein

Ja

Nur Arsen*

Nur Uran

Aufgabe der Wasserquelle/ -fassung

Trinkwasser mit unbelastetem Wasser

verdünnen

Kombinierte Aufbereitung

Arsenspezifische Aufbereitung

Uranspezifische Aufbereitung

Verdünnung möglich?

Arsen und Uran über dem Grenzwert?

Kap

itel 1

2K

apite

l 13

* Ist Uran in Konzentrationen vorhanden, die eine Akkumulation in Filteranlagen zur Entfernung von Arsen vermuten lassen, sind die Empfehlungen zur kombinierten Aufbereitung (Kapitel 13.3) zu konsultieren.

Abb. 5 Flussdiagramm zur Wahl des Verfahrens.

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12 Evaluation alternativer Wasserressourcen

Mit der Nutzung von alternativen und geogen weniger belasteten Rohwasserressourcen kann unter Umständen auf eine Aufbereitung verzichtet werden. Dieser Ansatz kann kostengünstiger und mit weniger Aufwand zu realisieren sein als eine Wasseraufbereitung und ist daher auf jeden Fall zu prüfen. Für die Evaluation einer solchen Möglichkeit wird eine solide Datengrund-lage benötigt.

12.1 Aufgabe einer Quelle und Erschliessung neuer Ressourcen

Sollte eine Quelle gänzlich aufgegeben werden, muss sichergestellt werden, dass alternative und weniger geogen belastete Ressourcen genügend Wasser liefern, um eine ausreichende Versorgungssicherheit zu garantieren. Allenfalls können auch bestehende und weniger belas-tete Quellen im Rahmen der natürlichen Quellschüttung stärker genutzt werden oder Trink-wasser wird aus anderen Netzen stärker genutzt (zweites Standbein). Die Erschliessung neuer Quellen oder die Erstellung eines zweiten Standbeines kann mit hohen Kosten verbunden sein, da allenfalls neue Infrastrukturen (Leitungen, Wasserreservoire) eingeplant werden müssen. Weitere Betriebskosten können anfallen, wenn Wasser zu hydraulisch höher gelegenen Orten gepumpt werden muss.

12.2 Saisonale Nutzung

Sind die Grenzwerte nur zeitlich begrenzt überschritten, könnte eine saisonale Nutzung der Wasserfassung in Betracht gezogen werden. Dafür muss jedoch eine ausreichende Daten-grundlage über die Dynamik der Konzentrationen vorliegen. Wie in Kapitel 12.1 und 12.3 be-schrieben, könnte während bestimmten Zeiten Wasser aus anderen Quellen bezogen oder das Wasser könnte mit unbelastetem Wasser gemischt/verdünnt werden (siehe Kap. 12.3). Eine weitere Möglichkeit wäre, das Wasser nur dann aufzubereiten, wenn mit Grenzwertüberschrei-tungen zu rechnen ist (sofern die Dynamik der Konzentrationen bekannt ist).

12.3 Verdünnung/Mischung

Verdünnung respektive Mischung von belastetem mit unbelastetem Wasser ist allenfalls eine kostengünstige Möglichkeit, um Arsen- und Urangrenzwerte einzuhalten. Eine Verdünnung/Mischung von belasteten Quellen macht dann Sinn, wenn die Konzentrationen von Arsen und Uran die Grenzwerte nur geringfügig überschreiten, da sonst grössere Wasservolumen an unbelastetem Wasser benötigt werden. Ausserdem sollten sich die Wässer ansonsten che-misch nicht zu stark unterscheiden, um Korrosionsprobleme im Verteilnetz zu vermeiden (vergl. SVGW Richtlinie W4, Themenblatt 5 und DVGW Arbeitsblatt W216).

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13 Arsen- und Uranentfernung

Wenn alternative Wasserressourcen aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht ge-nutzt werden können, muss eine Wasseraufbereitung in Betracht gezogen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Chemie von Arsen und Uran werden unterschiedliche Aufbereitungsver-fahren angewendet (Abb. 5). Kommen beide Schadstoffe im Wasser vor, so ist eine zweistufige Aufbereitung zu empfehlen (Kap. 13.3).

13.1 Optionen zur Entfernung von Arsen

Die am meisten angewandte Methode zur Entfernung von Arsen aus Trinkwasser beruht auf der Adsorption von Arsenverbindungen an Metall(hydr)oxiden. Diese können entweder als feste Adsorptionsmedien (Filterbett) oder als Reaktionsprodukte nach der Dosierung von Flockungs-salzen eingesetzt werden. Des Weiteren können auch Membranverfahren oder Ionentauscher eingesetzt werden. Je nachdem, in welchem Oxidationszustand Arsen im Wasser vorliegt, ist eine Vorbehandlung mit Oxidationsmitteln notwendig. Tritt neben Arsen auch Uran (unter dem Grenzwert) auf, sollte Kapitel 13.3 konsultiert werden.

Sind die Wasserbedingungen oxisch (sauerstoffreich), so kann davon ausgegangen werden, dass Arsen vorwiegend als oxidiertes As(V) vorliegt und kein Oxidationsschritt benötigt wird.

13.1.1 Vorbehandlung: Oxidation von Arsenit

Da Arsenit bei pH-Werten unter 9,2 hauptsächlich als ungeladene Spezies vorliegt, wird es an Metall(hydr)oxiden nur schlecht adsorbiert. Arsenit sollte deshalb in einer Vorbehandlung zu Arsenat oxidiert werden. Der Oxidationsschritt an sich ist kein Entfernungsschritt und muss mit Entfernungsverfahren wie Adsorption oder Flockung gekoppelt werden. Für die Oxidation von As(III) stehen verschiedene konventionelle Oxidationsmittel zur Verfügung:

• Chlor Chlor kann als gasförmiges Cl2 oder in kleineren Wasserwerken leichter als Hypochloritlö-sung oder durch elektrolytische Erzeugung von Hypochlorit zugegeben werden. Die Do-sierung hängt hauptsächlich von weiteren reduzierten Stoffen ab. Die Vorteile der Verwen-dung von Chlor sind die schnelle Arsenoxidation sowie die relativ geringen Kosten. Allerdings muss auf einen vorsichtigen Umgang und eine sichere Lagerung hingewiesen werden. Ausserdem kann der Einsatz von Chlor zu unerwünschten Nebenprodukten im Trinkwasser führen, speziell bei falscher Dosierung und bei einer hohen Konzentration an natürlichem organischem Material (engl. Natural Organic Matter, NOM).

• Ozon Ozon ist das stärkste und schnellst-wirkende Oxidationsmittel, das in der konventionellen Wasseraufbereitung eingesetzt wird. Allerdings ist der Einsatz von Ozon wesentlich teurer und für kleinere Wasserwerke aus Sicherheitsgründen eher ungeeignet.

• Permanganat Auch Permanganat (normalerweise in Eisen- und Manganentfernungsprozessen einge-setzt) kann zur Oxidation von Arsenit verwendet werden. Auch Permanganat führt zur schnellen Umwandlung von As(III) zu As(V) und führt nicht zur Bildung von unerwünschten Nebenprodukten. Allerdings ist Permanganat problematisch in der Handhabung, relativ teuer und führt zur Bildung von MnO2-Partikeln, die mittels Filtration entfernt werden müs-sen. Eine Überdosierung kann zu einer Färbung des Wassers führen.

• Sauerstoff, Eisen(II), metallisches Eisen und H2O2 Sauerstoff und Wasserstoffperoxid (H2O2) in geringen Konzentrationen alleine oxidieren As(III) nicht. Zusammen mit Fe(II) und Fe(0) wird Arsenit oxidiert und Arsenat wird in die entstehenden Eisen(hydr)oxidphasen eingebunden. Diese Verfahren sind aber für den Ein-satz in Wasserwerken noch nicht ausgereift.

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13.1.2 Adsorption Festbettfilter

Festbett-Adsorptionsverfahren sind für die Spurenstoffentfernung aus Trinkwasser gut geeig-net und weit verbreitet. Solche Anlagen weisen bei richtiger Auslegung lange Standzeiten, hohe Betriebssicherheit und geringen Wartungsaufwand auf. Für die Arsenentfernung kommen granulierte Adsorbentien auf Basis von Metall(hydr)oxiden zum Einsatz. Am weitesten verbrei-tet sind Eisen(III)hydroxide, eisenumlagertes, aktiviertes Aluminiumoxid und aktiviertes, granu-liertes Aluminiumoxid. In der Praxis hat sich der Einsatz von Eisen(hydr)oxiden bewährt, die ein höheres Adsorptionsvermögen über einen grösseren pH-Bereich zeigen als Aluminiumoxide. Während des Betriebes sättigen sich die Adsorptionsplätze der Filtermaterialien mit Arsen. Bevor der Grenzwert im Ausfluss erreicht wird, muss das Material ausgetauscht werden. Die Häufigkeit des Materialaustausches im Festbettfilter hängt von der Anlagendimensionierung sowie der Arsenkonzentration im Rohwasser ab und kann durch die Anlagenbauer genauer beziffert werden.

Die maximale Adsorptionskapazität hängt von den Eigenschaften des gewählten Adsorbens (spezifische Oberfläche, Mineralstruktur) sowie von den Parametern des Rohwassers ab. Hohe pH-Werte und hohe Konzentrationen von konkurrierenden Anionen wie Phosphat verringern die Standzeiten von Adsorptionsfiltern. Typische Festbettfilter mit granuliertem Eisenhydro-xid werden in der Regel so ausgelegt, dass eine Filtergeschwindigkeit von 5 bis 15 m/h und eine Leerbettverweilzeit von mehr als 3 Minuten (zwischen 3 und 10 Minuten) erreicht werden (DVGW W249). Bei diesen Bedingungen können bei Arsenkonzentrationen im Rohwasser von 10 bis 50 μg/L, geringen Gehalten an Phosphat und Silikat und bei pH-Werten unter 8 Bela-dungen von 1 bis 10 g Arsen pro kg trockenes Adsorbens erreicht werden.

Untersuchungen an der Eawag haben gezeigt (Borer et al., 2015), dass mit konventionell ver-fügbaren Adsorptionsmitteln (z.B. Granuliertes Eisenhydroxid (GEH) oder Bayoxid E33) etwa 40000 bis 50000 Bettvolumen (BV) weiches Wasser (Gesamthärte: 6,2°fH) aufbereitet werden können (Arsenkonzentration: 40 bis 50 μg/L), bevor der Grenzwert von 10 μg/L im Ablauf über-schritten wird.

Eine Vielzahl von Adsorptionsmitteln ist auf dem Markt erhältlich und wird in Anlagen auf der ganzen Welt eingesetzt. Je nach Wasserzusammensetzung kann die Wahl unterschiedlich aus-fallen. Für die Dimensionierung und für die Wahl des am besten geeigneten Adsorptionsmittels sind Anlagenbauer verantwortlich. Die Kosten für Eisen(hydr)oxide bewegen sich zwischen 6 und 12 Franken pro Kilogramm.

13.1.3 Fällung und Flockung

Durch Zugabe von geeigneten Flockungsmitteln, meist Eisen- oder Aluminiumsalzen, kann Arsen effizient aus Trinkwasser entfernt werden. Neben Arsen werden auch andere gelöste Stoffe aus dem Wasser entfernt, zum Beispiel Eisen, Mangan, Fluorid und Phosphat. Während der Flockung wird Arsen auf 3 Arten entfernt: (1) Ausfällung (Bildung von unlöslichen Eisen- oder Aluminium-Arsenverbindungen), (2) Kopräzipitation (Anlagerung von Arsen an ausfallende Eisen-/Aluminiumoxide), und (3) Adsorption (Anlagerung von gelöstem Arsen an ausgefallene Metalloxide). Die Entfernung der Niederschläge erfolgt durch Sedimentation und Filtration oder lediglich durch Filtration (Flockungsfiltration). Für die Anlagegestaltung bedeutet dies, dass nebst einem geeigneten Becken zur Sedimentation und Flockungsmittelzugabe allenfalls noch eine Filtrationsanlage (Schnellsandfilter) eingeplant und realisiert werden muss.

Die Dosiermenge des Flockungsmittels hängt von der Rohwasserzusammensetzung ab, ins-besondere von der Arsen- und Phosphatkonzentration, sowie vom pH-Wert. Als grobe Nähe-rung gilt, dass die molare Eisen- respektive Aluminiumkonzentration mindestens das 10- bis 30-Fache der molaren Arsenkonzentration betragen sollte. Typische Dosiermengen für Eisen-/Aluminiumsalze liegen zwischen 0,6 und 12 mg/L. Hohe Konzentrationen von konkurrierenden Ionen (z.B. Phosphat, Silikat) können jedoch eine Erhöhung der Flockungsmitteldosierung not-wendig machen. Eisensalze haben in der Praxis bessere Resultate gezeigt als Aluminiumsalze.

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13.1.4 Membranverfahren

Wie in Kapitel 7.3.1 bereits erwähnt, sind synthetische Polymermembranen (Nanofiltration und Umkehrosmose) geeignet, um Arsen aus Trinkwasser zu entfernen. Stoffe im Wasser, die grösser als die effektiven Porendurchmesser der Membrane sind, werden zurückgehalten. Die Abtrennung von Arsen kann durch die beiden Hochdruck-Prozesse Nanofiltration und Umkehr-osmose erreicht werden. Umkehrosmose ist sowohl für die Arsenat- als auch die Arsenitent-fernung geeignet.

Membranbasierte Arsenentfernung ist jedoch teurer als die bereits besprochenen Möglich-keiten Adsorption und Flockung, da Wasser unter hohem Druck durch die Membrane gepresst werden muss. Ausserdem verändern Membranverfahren die chemische Wasserzusammen-setzung grundlegend, da auch andere Wasserinhaltsstoffe zurückgehalten werden. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Korrosivität des gereinigten Wassers steigt. Ausserdem sind Membranen anfällig auf Verschmutzungen, z.B. wenn das Rohwasser grosse Mengen an orga-nischem Material enthält.

13.1.5 Ionenaustausch

Stark basische Anionenaustauscherharze können zur Arsenentfernung verwendet werden. Das Prinzip der Entfernung beruht auf dem Austausch von Arsen (Arsenat) mit Anionen ähnlicher Ladungsdichte (häufig Chlorid). Mit Ionenaustausch ist je nach der Wasserzusammensetzung die Behandlung von 300 bis 60000 Bettvolumen (BV) möglich. As(III) wird durch Ionenaus-tausch nicht entfernt. Ausserdem können gewisse Wasserinhaltsstoffe (Sulfat, Nitrat, Eisen(III), gelöste Feststoffe) die Arsenentfernung erheblich beeinträchtigen. Störend ist vor allem Sulfat und es wird empfohlen, Ionenaustausch zur Arsenentfernung nur bei Sulfatkonzentrationen kleiner als 25 mg/L in Erwägung zu ziehen.

13.2 Optionen für die Entfernung von Uran

Uranentfernung erfolgt in der Praxis am häufigsten mittels Ionenaustauscheranlagen. Ein Io-nenaustauscher hat den Vorteil, dass die mit Uran beladenen Harze regeneriert werden kön-nen. Die Behandlung wird in der Regel von Anlagenbauern übernommen. Die Harze können bis zu 6 bis 7 Mal regeneriert werden.

Auch andere Verfahren (Membrane, Flockung, Adsorption) sind theoretisch denkbar, allerdings muss die Entsorgung von anfallenden, schlecht regenerierbaren radioaktiven Feststoffen/Schlämmen berücksichtigt werden.

13.2.1 Ionenaustausch

Uranentfernung mittels Ionenaustausch (basische Anionenaustauscher) ist das am weitesten verbreitete Verfahren zur selektiven Uranentfernung. Ionenaustauscher ermöglichen die si-chere und vollständige Entfernung von Uran selbst aus Rohwasser mit Konzentrationen über 100 μg/L. Abhängig von der Wasserzusammensetzung können mit Ionenaustauscheranlagen im praktischen Betrieb Laufzeiten zwischen 50000 und 300000 BV erreicht werden (DVGW W249). Uranbeladungen im Ionenaustauschharz können unter günstigen Bedingungen 10 bis 30 g Uran pro kg Ionenaustauschharz betragen. Das Verfahren ermöglicht eine selektive Uran-entfernung, ohne die Wasserzusammensetzung grundlegend zu verändern. Zudem müssen keine zusätzlichen Chemikalien verwendet werden und es kommt im Vergleich zu anderen Ver-fahren (Adsorption, Membrane, Fällung) nicht zur Bildung von schlecht regenerierbaren uran-haltigen Abfällen. Der Betrieb ist einfach, stabil und braucht lediglich Routineüberwachungen (Druckverlust im Ionentauscher, Urankonzentration im Ablauf).

Im praktischen Betrieb liegt die Schütthöhe an Harz in der Regel bei 1 bis 2 m. Da die Aus-tauschprozesse schnell sind, kann ein Ionenaustauschbehälter für Leerbettgeschwindigkeiten von 10 bis 50 m/h ausgelegt werden. Dies entspricht je nach Schütthöhe einem spezifischen Durchsatz von 5 bis 50 Bettvolumen pro Stunde (DVGW W249).

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Damit ein problemloser Einsatz von Ionenaustauschern gewährleistet sein kann, sollte das Zulaufwasser bezüglich der chemisch-physikalischen Beschaffenheit Trinkwasserqualität auf-weisen. Insbesondere sollte eine Calcitabscheidung im Ionenaustauscher in jedem Fall vermie-den werden. Bei hohen Leerbettgeschwindigkeiten (grösser als 20 m/h) sollte die Trübung des Rohwassers weniger als 0,1 FNU (Formazine Nephelometric Units) betragen und das Wasser sollte vorzugsweise weniger als 0,01 mg/L Eisen und Mangan enthalten (DVGW W249).

Die erreichbare Uranbeladung und somit die Laufzeit hängt wesentlich von der Wasserzusam-mensetzung ab. Neben der Urankonzentration im Rohwasser beeinflussen der pH-Wert und die Konzentrationen von DOC, Sulfat, Calcium, Magnesium und Carbonat die Adsorptionska-pazität von Ionenaustauschern. Sulfat konkurriert direkt mit Uran beim Ionenaustausch, wohin-gegen Calcium, Magnesium und Carbonat die chemische Speziierung von Uran dahingehend verändern, dass ein Ionenaustausch nicht oder nur schlecht möglich ist.

Da Uran ein radioaktives Element ist, müssen bei Anlagen zur Uranentfernung die gesetzlichen Regelungen des Strahlenschutzgesetzes und der Strahlenschutzverordnung eingehalten wer-den. Mehr Informationen zur Radioaktivitätsproblematik in Filteranlagen sind in Kapitel 15 und 16 aufgeführt.

13.2.2 Membranverfahren

Nanofiltration und Umkehrosmose sind geeignet, um Uran beinahe vollständig aus Trinkwasser zu entfernen. Der Wirkungsgrad hängt vom gewählten Membrantyp ab und kann deutlich über 95% liegen. Da die Entfernung auf dem Rückhalt von Inhaltsstoffen, die grösser als die Mem-branporen sind, basiert, ist die Entfernung nicht selektiv. Dies führt – je nach Membrantyp – zu einer 45- bis 100%igen Entfernung der Hauptinhaltsstoffe wie Chlorid, Sulfat, Calcium, Ma-gnesium usw. Dadurch wird die chemische Wasserzusammensetzung grundlegend verändert.

Beim Einsatz von Membranen muss der Umgang mit aufkonzentriertem, uranhaltigem Spül-wasser und allenfalls mit kontaminierten Membranen abgeklärt werden.

13.2.3 Weitere Verfahren

Flockung/FällungGrundsätzlich ist eine Uranentfernung mittels Flockung und Filtration und/oder Sedimenta-tion möglich. Untersuchungen in Deutschland (DVGW, 2009, Schlussbericht zum Verbund-projekt Uranentfernung in der Trinkwasseraufbereitung) haben ergeben, dass Flockungsmittel auf Basis von Polyaluminiumlösungen besser geeignet sind als Lösungen auf Basis von Ei-sensalzen. Zudem begünstigt ein niedriger pH-Wert im Rohwasser die Abtrennung von Uran. In mittelhartem bis hartem Wasser wird Uran ohne Senkung des pH-Wertes durch Flockung nur schlecht entfernt. Flockung/Fällung sollte jedoch nur eingesetzt werden, wenn entspre-chende Einrichtungen (Filter, Sedimentationsbecken, Absetzbecken, Schnellsandfilter usw.) bereits vorhanden sind. Ausserdem muss die gesetzeskonforme Entsorgung von uranhaltigem Schlamm gewährleistet werden.

Adsorption an Eisen(hydr)oxideAuch feste Metall(hydr)oxide können theoretisch – alternativ zu Ionenaustauschmedien – zur Uranentfernung eingesetzt werden. Allerdings ist die Anwendung problematisch, da die Roh-wasserzusammensetzung die Kapazität sehr stark beeinflusst. Studien in Deutschland mit hartem Wasser haben gezeigt, dass nur sehr kurze Laufzeiten möglich sind und die maximale Uranbeladung wesentlich geringer ist als in Ionenaustauschern. In weichem Wasser ist die Aufnahmekapazität höher (Studie an der Eawag, 2013/14). Durch die tieferen erzielbaren Be-ladungen verringert sich die Laufzeit einer Filteranlage und führt zu einem erhöhten Material-bedarf. Ausserdem ist eine Regeneration kaum oder nur beschränkt möglich. Daher muss die Entsorgung der radioaktiven Rückstände speziell geklärt werden (Kap. 16.1).

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13.3 Zweistufige Entfernung von Arsen und Uran

Überschreiten sowohl die Arsen- als auch die Urankonzentrationen die Grenzwerte oder kom-men neben erhöhten Arsenkonzentrationen auch Uranwerte vor, die eine signifikante Akkumu-lation von Uran bei der Aufbereitung erwarten lassen (abzuklären durch Anlagenbauer), emp-fiehlt sich eine zweistufige Wasseraufbereitung. Eine solche Anlage beinhaltet in der Regel eine Ionenaustauscheranlage für die selektive Uranentfernung, gefolgt von einem Festbettfilter mittels Eisen(hydr)oxiden für die Arsenentfernung. Die mit Uran beladenen Ionentauscherharze können nur durch autorisierte Abnehmerbetriebe regeneriert werden und die anfallenden Uran-rückstände können z.B. in der Nuklearindustrie verwertet werden. Durch diese Abstufung wer-den keine radioaktiven Rückstände generiert, die als Abfall teuer entsorgt werden müssten.

Einstufige Verfahren wie Festbettfilter mit Eisen(hydr)oxiden oder Membranverfahren sind nicht zu empfehlen, wenn sowohl signifikante Arsen- und Uranrückstände anfallen können. Wie in Kapitel 11.1 beschrieben, kann bspw. ein Adsorptionsverfahren mit Eisen(hydr)oxiden unter gewissen Bedingungen (weiches Wasser) neben Arsen durchaus beträchtliche Mengen an Uran entfernen.

Die Wahl einer ein- oder zweistufigen Anlage sollte mit den Anlagenbauern evaluiert werden und die Entsorgung/Verwertung der Rückstände vorgängig abgeklärt werden.

Eine denkbare Alternative zur Arsenentfernung aus Wasser, das auch Uran (aber durchgehend unter dem Grenzwert) enthält, ist der Einsatz eines Fällungsmittels (z.B. Fe(II) oder Fe(III)-Salze) gefolgt von einer Filtration (Sandfiltration). Ausfällungsversuche im Labor haben gezeigt (Borer et al., 2015), dass Arsen mit Fe(II)-Zugaben von 0,5 – 2 mg/L und anschliessender Filtration aus dem Trinkwasser entfernt werden kann, ohne dass Uran merklich zurückgehalten wird. Damit aber eine einfache Ausfällung mit Fe-Salzen gefolgt von einer Schnellsandfiltration als einfache Methode zur selektiven Arsenentfernung in Gegenwart von Uran empfohlen werden kann, braucht es Erfahrungen im Grossmassstab. Sollte sich Uran trotz geringerer Affinität im Sandfilter und Eisenschlamm akkumulieren, müsste die Behandlung und Entsorgung dieses uranhaltigen Materials abgeklärt werden. Die Dimensionierung eines Schnellsandfilters sowie weitere betriebliche Aspekte (Laufzeit des Sandfilters, Effizienz der Partikelentfernung, Rück-spülung sowie allenfalls pH-Korrektur nach der Eisensalzzugabe) müssen ebenfalls untersucht werden.

13.4 Wahl eines optimalen Verfahrens

Es gibt keine universell optimale Methode für die Entfernung von Arsen und Uran. Die Entfer-nungsmethode muss der chemischen Wasserbeschaffenheit angepasst werden. Dafür sind Voruntersuchungen zu den allgemeinen Wasserparametern notwendig.

Die optimale Wahl und Dimensionierung der Anlagen sollte durch Experten (erfahrene Anla-genbauer, Ingenieurbüros) vorgenommen werden. Grundsätzlich ist es ratsam, sich Box 1 als Entscheidungshilfe beizuziehen: Bei erhöhten Arsenwerten empfiehlt sich für kleinere Wasser-versorgungen in der Schweiz eine Festbettanlage mit Eisen(hydr)oxiden. Die Ausfällung mit Fe(II) oder Fe(III) ist eine Option für grössere Anlagen und für spezielle Situationen. Bei erhöhten Uranwerten ist ein Ionenaustauscher zu empfehlen. Treten im Wasser sowohl erhöhte Arsen- als auch Uranwerte (nicht zwangsweise über dem Grenzwert) auf, ist ein zweistufiges Verfahren (Ionenaustausch und Eisen(hydr)oxid Filterbett) anzustreben. Das BAG führt Eisen- und Alu-miniumoxide sowie Filtration, Oxidation (Chlorung, Ozonung) und auch Ionenaustauscher als zulässige, in der Schweiz anerkannte Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung auf.

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Die Gewässer in der Schweiz mit erhöhten Arsen- und/oder Urankonzentrationen sind in der Regel sauerstoffreich. Daher erübrigt sich eine Vor-Oxidation von Arsenit, da Arsen bereits in der fünfwertigen Form (Arsenat) vorliegt. In den betroffenen Bergkantonen kommt vorwie-gend weiches Wasser vor. Dies hat zur Folge, dass auch Uran relativ gut in Filteranlagen auf der Basis von Eisen(hydr)oxiden adsorbiert wird. Um entsorgungstechnische Probleme zu vermeiden, empfiehlt sich folgendes Vorgehen:

Weiches Wasser Hartes Wasser

Arsen > GWUran > GW

Ionenaustauscher gefolgt von Eisen(hydr)oxid-Filteranlage

Ionenaustauscher gefolgt von Eisen(hydr)oxid-Filteranlage

Arsen > GWUran < GW, aber Akkumulation im Filter möglich

Ionenaustauscher gefolgt von Eisen(hydr)oxid-Filteranlage(evtl. selektive Fällung von As*)

Eisen(hydr)oxid-Filteranlage* (evtl. selektive Fällung von As*)

Arsen > GWUran << GW, keine Akkumulation im Filter

Eisen(hydr)oxid-Filteranlage Eisen(hydr)oxid-Filteranlage

Arsen < GWUran > GW Ionenaustauscher Ionenaustauscher

* Für den Fall, dass keine ungewollte Akkumulation von Uran beim Verfahrensschritt und der damit verbundenen Bildung von uranhaltigen und schlecht regenerierbaren Abfällen zu erwarten ist.

Box 1 Empfehlungen zur Wahl der Verfahrens für die Schweiz

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14 Planung und Massnahmen

Die Situationsanalyse und die chemischen Voruntersuchungen zur Wasserbeschaffenheit sowie weitere Abklärungen zum Wasserdargebot, Wasserbedarf, Ausbaumöglichkeiten der bestehenden Wasserversorgungs-Infrastruktur und Finanzierung sind Grundlagen für die Eva-luation von Massnahmen. Gemeinsam mit Ingenieur- und Planungsbüros und Anlagenbauern können betroffene Gemeinden Massnahmen im Bereich des regionalen Wassermanagements (Nutzung anderer Quellen, Zumischungen von weniger belasteten Quellen) treffen oder eine Wasseraufbereitung in Betracht ziehen.

Für den Fall einer Wasseraufbereitung gilt es folgende Punkte zu beachten, die mit den Anla-genbauern abgestimmt werden sollten (Tab. 2):

Checkliste: Abklärungen zum Anlagenbau

Verfahren und Dimensionierung

Finanzierung

Überwachung

Entsorgung/Verwertung von Filtermaterialien und Rückständen

Transport der anfallenden Filtermaterialien oder Rückstände

Schulung von Betriebspersonal

Strahlenschutz (Isotopenanalyse)

Tab. 2 Checkliste zur Diskussion mit Anlagenbauern

Erläuterungen zu Tabelle 2:

• Verfahren und Dimensionierung Die Wahl eines ein- oder zweistufigen Verfahrens sowie die Dimensionierung der Einzel-verfahren hängt stark von der Wasserbeschaffenheit sowie von den Konzentrationsbe-reichen von Uran und Arsen ab. Die vorhandenen Platzverhältnisse oder der zusätzliche Platzbedarf (Infrastrukturanpassungen) müssen ebenfalls abgeklärt werden.

• Finanzierung Die Kosten für Bau, Unterhalt und Betrieb der Anlagen müssen mit den Anlagenbauern geklärt werden.

• Überwachung Es muss sichergestellt werden, dass die Konzentrationen von Arsen und Uran im Ablauf der Anlage periodisch überwacht werden. Die Frequenz der Kontrollen ist zu erhöhen, je näher die Konzentrationen im Abfluss der Anlage dem Grenzwerte kommen. Ausserdem muss der hydraulische Druck in Filteranlagen kontrolliert werden, damit ein einwandfreier Betrieb gewährleistet ist (detailliertere Informationen sind in Kap.15 aufgeführt).

• Entsorgung Die Entsorgung oder Verwertung von gesättigten Filtermaterialien muss mit den Anlagen-bauern und Abnehmerbetrieben im In- und allenfalls im Ausland geklärt werden. Für uran-haltige Materialien oder Rückstände, die zur Regeneration ins Ausland ausgeführt werden, wird eine Umgangsbewilligung durch das BAG benötigt. Es sollte abgeklärt werden, wer die Bewilligung beim BAG einholen muss (siehe auch Kap. 16).

• Transport Der Transport von gesättigten Filtermaterialien zur Regeneration (Uran) bzw. von Sonder-müll im Inland (Arsen) muss im Vorfeld mit den Anlagenbauern und zugelassenen Ab-nehmerbetrieben besprochen werden (siehe Kap. 16).

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• Schulung In der Regel übernehmen Anlagenbauer die Kontrollen und Unterhaltsarbeiten an den Anlagen. Es sollte abgeklärt werden, ob das Betriebspersonal bewilligungspflichtige Auf-gaben im Bereich Unterhalt übernehmen muss. Dabei steht der Schutz entsprechender Personen im Vordergrund. Speziell bei Anlagen zur Uranentfernung (Radioaktivität) muss beachtet werden, dass Unterhaltsarbeiten mit dem Risiko einer erhöhten Exposition durch ionisierende Strahlung nur von geschultem Personal durchgeführt werden dürfen (z.B. Austausch der uranhaltigen Austauscherharze). Bezüglich Arbeitssicherheit und Mass-nahmen zur Reduktion der Exposition ionisierender Strahlung kann die Suva Auskunft geben.

• Strahlenschutz/Isotopenanalyse (gilt nur für Anlagen zur Uranentfernung) Uran zerfällt zu weiteren radioaktiven Tochternukliden (Radium, Radon), die im Vergleich zu natürlichem Uran stärker strahlen, aber normalerweise nur in geringen Konzentrationen auftreten. Um gesamte Strahlungexposition abzuschätzen, ist eine Nuklidanalyse der ge-sättigten Filtermaterialien hilfreich. Diese Problematik sollte mit Anlagenbauern diskutiert werden (siehe auch Kap. 15.3).

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15 Betrieb und Unterhalt von Misch- und Filteranlagen

Anlagen zur Reduktion der Arsen- und/oder Urankonzentration im Trinkwasser umfassen Ver-fahrensschritte, die im Sinne des HACCP-Konzeptes durch geeignete Parameter kontinuierlich oder quasikontinuierlich überwacht werden müssen (siehe auch Kap. 6.2). Da Arsen- und Uran-gehalte nicht kontinuierlich überwacht werden können, ist eine Kombination einer kontinuier-lichen Durchflussmessung mit periodischer Messung der Arsen- und/oder Urankonzentration durchzuführen.

15.1 Betrieb von Mischanlagen

15.1.1 Einstellung des Mischungsverhältnisses

Für die Einstellung des Mischungsverhältnisses werden die Maximalkonzentrationen in den zu mischenden Wässern herangezogen. Basierend auf diesen Konzentrationen wird das Mi-schungsverhältnis so berechnet, dass im gemischten Wasser die Arsen- bzw. Urankonzentra-tion unter dem jeweiligen Richtwert liegt.

15.1.2 Prozesssteuerung

Basierend auf der Zuflussmenge der schwächer belasteten Ressource und dem ermittelten Mischungsverhältnis wird der Zufluss der stärker belasteten Ressource gesteuert.

15.1.3 Überwachung von Anlagen zur kontrollierten Mischung

Wird arsen-/uranhaltiges Rohwasser durch Mischung verschiedener Wässer gezielt verdünnt, ist die Mischanlage mit folgenden Parametern zu überwachen:

• Kontinuierliche Messung des Durchflusses der einzelnen Zuflüsse

• Regelmässige Untersuchung der Arsen- bzw. Urankonzentration im Mischwasser sowie den Zuläufen (Minimum vierteljährlich)

15.2 Betrieb von Filteranlagen

15.2.1 Grundsätzliches zum Betrieb

Beim Einsatz von Filteranlagen sind neben den in Kapitel 14 aufgeführten Punkten (s. Tab. 2) allenfalls weitere technische Aspekte mit dem Anlagenhersteller/-lieferanten zu besprechen:

• Mögliche Auswirkungen einer veränderlichen Beschaffenheit des Rohwassers (neben Ar-sen- und Urankonzentration auch Änderungen bezüglich Druck, Temperatur, Leitfähigkeit, pH, Trübung, Konzentration der Hauptionen und von gelöstem organischem Kohlenstoff)

Der Anlagenhersteller empfiehlt basierend auf den Rohwasserqualitätsdaten, welche Pa-rameter kontinuierlich überwacht werden sollten (Druckdifferenz in Festbettfilteranlagen, Trübung und pH-Wert des Rohwassers usw.) und welche Massnahmen bei Über-/Unter-schreiten von Interventionswerten zu ergreifen sind.

• Vorbehandlung Die meisten Filteranlagen sind mit einem Vorfilter versehen (Entfernung von Partikeln). Der Anlagenhersteller/-lieferant liefert die nötigen Informationen und Vorgaben zur Überwa-chung und Austausch dieser Vorfilter.

• Inbetrieb- bzw. Wiederinbetriebnahme Der Anlagenhersteller/-lieferant macht Angaben zur Vorgehensweise bei Inbetrieb- bzw. Wiederinbetriebnahme. Diese Angaben betreffen die minimale Verwurfsmenge sowie die Bedingungen für die Einspeisung des Filtrats ins Verteilnetz.

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• Rückspülung Es ist abzuklären, ob und in welchen Zeitabständen Rückspülungen notwendig sind und wie diese durchzuführen sind.

• Stillstandzeiten Mit dem Anlagenhersteller/-lieferanten ist abzuklären, welche Auswirkungen Stillstands-zeiten auf die Anlage haben beziehungsweise wie bei Inbetriebnahme nach Stillstand zu verfahren ist.

15.2.2 Betriebsdauer

Die exakte Betriebsdauer hängt von der Anlagendimensionierung, dem Verfahren, dem Was-serverbrauch, der Arsen- und Urankonzentrationen im Rohwasser sowie der Wasserbeschaf-fenheit ab. Der Anlagenbauer liefert für die individuelle Anlage, unter Einbezug der genannten Faktoren, eine Abschätzung der Betriebsdauer in Form einer anlagenspezifischen Durch-bruchskurve. In Box 2 sind zwei Berechnungen aufgeführt, die zeigen, wie die Betriebsdauer einer Filteranlage zur Arsenentfernung und einer Anlage zur Uranentfernung grob abgeschätzt werden kann.

Im Folgenden ist anhand zweier Beispiele aufgezeigt, wie lange eine bestimmte Filteranlage bzw. ein Ionenaustauscher betrieben werden kann, bevor ein Materialwechsel notwendig wird.

(a) Filteranlage zur Arsenentfernung

Für eine bestimmte Wasserbeschaffenheit wird eine Festbett-Filteranlage mit granuliertem Eisenhydroxid (1 m3 Festbett-Filtervolumen, CHF 6000 – 9000/m3) für die Arsenentfernung in Betrieb genommen. Die Anlage kann gemäss Einschätzung der Anlagenbauer bis zu ca. 40000 – 50000 Bettvolumen betrieben werden, um die Arsenkonzentration von ca. 40 μg/L auf unter 10 μg/L zu senken. Ausgehend von einem benötigten Wasserverbrauch von 200 m3 pro Tag müsste etwa alle 200 bis 250 Tage ein Materialwechsel vorgenommen werden, damit die Arsenkonzentration im Ablauf des Filters stets die gesetzlichen Anforderungen erfüllt.

(b) Ionenaustauschanlage zur Uranentfernung

Mit Ionenaustauschern können abhängig von der Wasserbeschaffenheit lange Betriebs-zeiten erreicht werden. Unter der Annahme, dass eine Anlage bis zu einer Uranbeladung von 10 g U/L betrieben wird, die Anlage 1 m3 Ionenaustauscherharz (CHF 10 000 –14000/m3) enthält, die Urankonzentration im Rohwasser 35 μg/L beträgt und pro Tag 200 m3 Wasser aufbereitet werden, ist ein Materialwechsel etwa alle 1400 Tage notwendig.

Die genaue Dimensionierung sowie eine genauere Abschätzung der Betriebsdauer einer bestimmten Anlage, unter Berücksichtigung der Wasserbeschaffenheit, sind durch den An-lagenbauer vorzunehmen.

Box 2 Rechenbeispiele zur Laufzeit von Filteranalgen und Ionenaustauschern

15.2.3 Überwachung von Filteranlagen

Die Überwachungsparameter und Sollwerte von Filteranlagen richten sich nach dem gewähl-ten Verfahrenstyp. Im Allgemeinen ist eine regelmässige Kontrolle des Roh- und des gefil-terten Wassers notwendig (pH-Wert, Arsen- und Urankonzentrationen, Trübung sowie weitere Wasserparameter bei veränderlicher Rohwasserqualität, vergl. Tab. 1 in Kap. 10). Kontrollen sind insbesondere nach Änderungen im Betrieb (Reinigung von Wasserbecken und Leitungen, Auswechseln von Filtern und Filtermaterialien, Betriebsunterbrüchen usw.) angebracht. Die Pe-riodizität und die zu analysierenden Parameter müssen gewährleisten, dass die durchgeführten Messungen eine wirksame Kontrolle der Qualität des geprüften Wassers erlauben (SVGW-Richtlinie W1).

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Überwachung von Anlagen zur ArsenentfernungFestbettfilter mit Eisen(hydr)oxiden sind mit folgenden Parametern zu überwachen:

• Kontinuierliche Messung des Durchflusses und Druckverlustes

• Regelmässige Untersuchung der Arsenkonzentration im Filtrat (Richtwert: alle 5000 BV)

Bei frischem Filtermaterial sollte die Arsenanalyse alle 5000 BV erfolgen. Durch diese Erhe-bungen lässt sich eine anlagenspezifische Durchbruchskurve ableiten und das Überwachungs-programm entsprechend anpassen. Die Häufigkeit der Messungen muss erhöht werden, wenn sich die Arsenkonzentration im Filtrat dem Richtwert annähert. Die anlagenspezifische Durch-bruchskurve sollte bei jeder Neubefüllung der Anlage erneut abgeleitet werden, um mögliche Unterschiede der Filtermaterialqualität frühzeitig zu erkennen (speziell wenn Materialien von unterschiedlichen Anbietern genutzt werden).

Überwachung von Anlagen zur UranentfernungBei Ionenaustauscheranlagen sind folgende Parameter zu überwachen:

• Kontinuierliche Messung des Durchflusses und Druckverlustes

• Regelmässige Untersuchung der Urankonzentration im Filtrat (Richtwert: alle 20 000 BV)

Auch hier muss entsprechend der spezifischen Durchbruchskurve die Häufigkeit von Kontroll-messungen gegen Ende der rechnerischen Betriebsdauer erhöht werden.

15.3 Arbeitssicherheit

Beim Betrieb und Unterhalt von Arsen- und Uranfilteranlagen sind gewisse Sicherheitshinweise zu berücksichtigen, insbesondere was den Strahlenschutz und den Austausch von uran- und arsenhaltigen Filtermaterialien betrifft.

15.3.1 Strahlenschutz

Uran reichert sich in Ionenaustauscheranlagen an, wodurch die Aktivität im Filterbett ansteigt. Uran ist ein natürliches, radioaktives Element und wandelt sich unter α-Zerfall zu weiteren radio-aktiven Tochternukliden um. α-Strahlung ist – solange uranhaltiges Material nicht aufgenom-men wird – wenig problematisch. Tochternuklide können jedoch nicht zu vernachlässigende γ-Strahlung aufweisen. Aus diesem Grund sind rechtliche Vorgaben zur Arbeitssicherheit bezie-hungsweise des Strahlenschutzes zu berücksichtigen. Studien aus Deutschland (DVGW, 2009, Schlussbericht zum Verbundprojekt Uranentfernung in der Trinkwasseraufbereitung) haben er-geben, dass die maximale zusätzliche effektive Jahresdosis für den Umgang mit beladenen Ionenaustauschern im Wasserwerk ein Zehntel der durchschnittlichen Strahlenbelastung von beruflich nicht strahlenexponierten Bevölkerungsgruppen durch natürliche Quellen ausmacht. Trotzdem sollte eine Berechnung der Strahlenbelastung für jede Anlage nach der ersten voll-ständigen Beladung durchgeführt werden. Hierfür wird eine Nuklidanalyse erstellt, die zugleich auch für die Ausfuhr von uranhaltigen Abfällen (Kap. 16.1) benötigt wird. Ein spezielles Problem stellt Radium dar. Radium ist ein radioaktives Element, das aus dem Zerfall von Uran entsteht. In einem zweistufigen Verfahren (Ionentauscherharz mit nachgeschaltetem Festbettfilter mit Eisen(hydr)oxiden) reichert sich Radium nur im Festbettfilter an. Die zusätzliche Strahlendosis, die von Radium ausgeht, ist gemäss einer Studie in Deutschland gering (DVGW, 2009, Schluss-bericht zum Verbundprojekt Uranentfernung in der Trinkwasseraufbereitung).

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15.3.2 Materialwechsel

Bei arsenhaltigen Filtermaterialien handelt es sich um giftigen Sonderabfall, uranhaltige Filter-materialien sind radioaktiv. Grundsätzlich gilt:

Der Materialwechsel sollte von geschultem Personal vorgenommen werden. Dies ist normaler-weise der Fall, da der Anlagenbauer dafür zuständig ist.

• Es sollte entsprechende Schutzkleidung getragen werden: Handschuhe, Overall, Stiefel, Mund- und Nasenbedeckung sowie Schutzbrille.

• Der Materialaustausch sollte bevorzugt unter nassen/feuchten Bedingungen durchgeführt werden, damit die Inhalationsgefahr von kontaminierten Staubpartikeln minimiert wird.

• Eine sichere Abpackung ist die Grundvoraussetzung für einen sicheren Transport zum Abnehmerbetrieb für die Entsorgung oder Regenerierung.

• Bei uranhaltigen Abfällen empfiehlt sich, die Expositionsdauer möglichst gering zu halten (ionisierende Strahlung) und direkten Kontakt und Aufnahme von Material zu vermeiden.

15.4 Störfall/Unterbruch

In der Regel sind Filteranlagen kaum störanfällig und die Handhabung ist einfach. Trotzdem sollten mit den Anlagenbauern Massnahmen bei allfälligen Störfällen diskutiert werden. Mög-liche Szenarien sind mit Anlagenbauern zu besprechen, damit eine einwandfreie und kontinu-ierliche Trinkwasserversorgung gewährleistet ist.

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16 Transport und Entsorgung

16.1 Entsorgung von Filterabfällen

16.1.1 Entsorgung von uranhaltigen Abfällen

Für die Entsorgung von uranhaltigen Abfällen bestehen grundsätzlich drei Möglichkeiten:

• Deponierung

• Thermische Entsorgung/Verwertung (Verbrennung)

• Regenerierung und Wiederverwertung

Für die Entsorgung von radioaktiven Rückständen aus der Trinkwasseraufbereitung müssen die gesetzlichen Bestimmungen des Strahlenschutzgesetzes und der Strahlenschutzverord-nung eingehalten werden.

Die Deponierung von urangesättigten Ionenaustauscherharzen ist aufgrund des hohen Brenn-wertes von mehr als 6000 kJ/kg in der Regel nicht zulässig. Die Entsorgung als radioaktiver Abfall ist aus ökonomischen Gründen nicht sinnvoll.

Da Uran ein Wertstoff ist, ist eine Regeneration vorzuziehen. Ionenaustauscherharze können in einem mehrstufigen Verfahren regeneriert werden und die aufbereiteten Harze können danach wieder zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden. Die Regeneration von Ionenaustauscher-harzen wird heute bereits in Deutschland angeboten.

Für die Ausfuhr von uranhaltigen Materialien muss beim BAG eine Ausfuhrbewilligung einge-holt werden. Dabei ist nachzuweisen, dass das Material zu Regenerationszwecken (kein Abfall) ins Ausland überführt wird. Ausserdem müssen Informationen zur tatsächlichen Uranbeladung, Ausfuhrmenge, Sicherheitsmassnahmen sowie eine Nuklidanalyse zur Abschätzung der Strah-lenaktivität vorgelegt werden (Strahlenschutzverordnung, Art. 78). In der Regel übernimmt der Anlagenbauer diese Aufgabe sowie auch den Transport (Kap. 16.2). Dies ist jedoch mit dem entsprechenden Unternehmen im Vorfeld abzuklären.

16.1.2 Entsorgung von arsenhaltigen Abfällen

Arsenhaltige Filtermaterialien (Eisenhydroxide, Aluminiumhydroxide) können deponiert werden. Gemäss TVA (Anhang 2) stehen dafür Reststoffdeponien zur Verfügung, wenn nachgewiesen werden kann, dass das Eluat (gemäss Anhang 2 der TVA) des Materials die Konzentration von 0,1 mg Arsen pro Liter nicht überschreitet.

Die Entsorgungsmöglichkeiten sollten vorgängig mit entsprechenden Entsorgungsunterneh-men auch bezüglich der Kosten diskutiert werden.

Arsenhaltige Filtermaterialien (Eisen(hydr)oxide, Aluminium(hydr)oxide) sind als Sonderabfälle (VeVA, Art. 2) zu betrachten und die Entsorgung muss den gesetzlichen Bestimmungen (TVA, VeVA) entsprechen. Sonderabfälle dürfen nur an berechtigte Abnehmerbetriebe abgegeben werden (VeVA, Art. 4).

Abgeberbetriebe müssen dem Entsorgungsunternehmen Angaben über die Herkunft, Zusam-mensetzung und die Eigenschaften der Abfälle machen und zum Abfall einen Begleitschein beilegen (VeVA, Art. 6).

Geeignete Entsorgungsunternehmen können mithilfe der Verordnung des UVEK über Listen zum Verkehr mit Abfällen gefunden werden (https://www.veva-online.ch/). Bei Unsicherheiten kann die zuständige Stelle des BAFU Auskunft geben.

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16.2 Transport von Filterabfällen

16.2.1 Transport von uranhaltigen Abfällen

Der Transport von radioaktiven, uranhaltigen Materialien muss den gesetzlichen Bestim-mungen der Strahlenschutzverordnung (Art. 76) sowie dem Europäischen Übereinkommen über die Beförderung gefährlicher Güter auf der Strasse (ADR) entsprechen. Abhängig von der Beladung der Filtermaterialien müssen die entsprechenden Vorgaben zur Klassifizierung und Verpackung (Verpackungseinheiten) der Gefahrgüter eingehalten werden. Sowohl Abgeberbe-trieb wie Abnehmerbetrieb (Anlagenbauer, Transportunternehmen) sind für die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften zuständig und benötigen eine entsprechende Bewilligung.

16.2.2 Transport von arsenhaltigen Abfällen

Arsenhaltige Filtermaterialien (Eisen(hydr)oxide, Aluminium(hydr)oxide) sind als Sonderabfälle (VeVA, Art. 2) zu betrachten und deren Transport ist gemäss den gesetzlichen Bestimmungen (TVA,VeVA) durchzuführen. Abgeberbetriebe müssen dem Transporteur Angaben über die Her-kunft, Zusammensetzung und die Eigenschaften der arsenhaltigen Abfälle machen und zum Abfall einen Begleitschein beilegen (VeVA, Art. 6). Sonderabfälle müssen nach VeVA, Art. 7 speziell gekennzeichnet werden und dürfen nicht ohne Begleitschein transportiert werden (VeVA, Art. 13).

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Weiterführende Literatur

BfS (2009); Strahlenexposition durch natürliche Radionuklide im Trinkwasser in der Bundesrepublik Deutschland – Ergebnisse der Trinkwasser-Studie des Bundesamtes für Strahlenschutz. Bundesamt für Strahlenschutz, Deutschland.

Bissen, M., and Frimmel, F.H. (2003); Arsenic – a review. Part II: Oxidation of arsenic and its removal in water treatment. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 31, 97–107.

Borer, P., Sonderegger, R., and Hug, S. (2015); Entfernung von Arsen und Uran aus Schweizer Trinkwas-ser. Aqua & Gas 4.

Brüschweiler, B., Schlatter, J., de Weck, D., Favre, F., and Luthi, J.-C. (2005); Occurrence of arsenic in drinking water of the canton of Valais. Part II: Epidemiological comparison between arsenic concen-trations and cancer incidence rates. Mitteilungen aus Lebensmitteluntersuchungen und Hygiene, 96: 106 –117.

Bucheli, M., Studer, P., und Zoller, O. (2012); Fremd- und Inhaltsstoffverordnung (FIV) – Änderungen im Bereich Trinkwasser. Aqua & Gas 12, 16–23.

Choong, T.S.Y., Chuah, T.G., Robiah, Y., Koay, F.L.G., and Azni, I. (2007); Arsenic toxicity, health hazards and removal techniques from water: an overview. Desalination 217, 139 –166.

Driehaus, W. (2005); Technologies for arsenic removal from potable water. Natural Arsenic in Groundwa-ter: Occurrence, Remediation and Management. Balkema Publishers, Leiden.

Gallegos-Garcia, M., Ramirez-Muniz, K., and Song, S. (2012); Arsenic removal from water by adsorp-tion using iron oxide minerals as adsorbents: A review. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review: An International Journal, 33(5): 301–315.

Haldimann, M., Pfammatter, E., Venetz, P.-M., Studer, P., and Dudler, V. (2005); Occurrence of arsenic in drinking water of the canton of Valais. Part I: Overview of arsenic concentration and geographic distri-bution. Mitteilungen aus Lebensmitteluntersuchungen und Hygiene, 96: 89 –105.

Hering, J.G., Chen, P.Y., Wilkie, J.A., and Elimelech, M. (1997); Arsenic removal from drinking water du-ring coagulation. J. Environ. Eng.-ASCE 123, 800-807. Hopenhayn, C. (2006); Arsenic in drinking water: Impact on human health. Elements, 2(2): 103–107.

Jain, C.K., and Singh, R.D. (2012); Technological options for the removal of arsenic with special refe-rence to South East Asia. J. Environ. Manage. 107, 1–18.

Johnston R., and Heijnen, H. (2001); Safe water technology for arsenic removal, in: M.F. Ahmed, et al. (Eds.), Technologies for Arsenic Removal from Drinking Water, Bangladesh University of Engineering and Technology, Dhaka, Bangladesh.

Kapaj, S., Peterson, H., Liber, K., and Bhattacharya, P. (2006); Human health effects from chronic arsenic poisoning – A review. J. Environ. Sci. Health Part A-Toxic/Hazard. Subst. Environ. Eng. 41, 2399 –2428.

Katsoyiannis, I.A., and Zouboulis, A.I. (2013); Removal of uranium from contaminated drinking water: a mini review of available treatment methods. Desalin. Water Treat. 51, 2915 –2925.

Kurttio, P., Auvinen, A., Salonen, L., Saha, H., Pekkanen, J., Makelainen, I., Vaisanen, S. B., Penttila, I. M., and Komulainen, H. (2002); Renal effects of uranium in drinking water. Environmental Health Per-spectives, 110(4): 337–342.

Mandal, B.K., and Suzuki, K.T. (2002); Arsenic round the world: a review. Talanta 58, 201– 235.

Mukherjee, A., Sengupta, M. K., Hossain, M. A., Ahamed, S., Das, B., Nayak, B., Lodh, D., Rahman, M. M., and Chakraborti, D. (2006); Arsenic contamination in groundwater: A global perspective with em-phasis on the asian scenario. Journal of Health Population and Nutrition, 24(2): 142–163.

W1015 d, Ausgabe Mai 2015 41/41

Murcott, S. (2012); Arsenic Contamination in the World. An International Sourcebook. IWA Publishing, Alliance House, 12 Caxton Street, London, UK, ISBN: 9781780400389.

Ng, J.C., Wang, J.P., and Shraim, A., 2003. A global health problem caused by arsenic from natural sources. Chemosphere 52, 1353–1359.

Pfeifer, H.-R., Beatrizotti, G., Berthoud, J., Rossa, M. D., Girardet, A., Jaeggli, M., Lavanchy, J.-C., Rey-mond, D., Righetti, G., Schlegel, C., Schmit, V., and Temgoua, E. (2002); Natural arsenic-contamination of surface and ground waters in Southern Switzerland (Ticino). Bull. appl. Geol., 7(1): 81–103.

Pfeifer, H.-R., and Zobrist, J. (2002); Arsenic in drinking water – Also a problem in Switzerland? Eawag news 53, 15 –17.

Smedley, P.L., and Kinniburgh, D.G. (2002); A review of the source, behaviour and distribution of arsenic in natural waters. Appl. Geochem. 17, 517–568.

Smith, A.H., Biggs, M.L., Moore, L., Haque, R., Steinmaus, C., Chung, J., Hernandez, A., and Lopipero, P. (1999); Cancer risks from arsenic in drinking water: Implications for drinking water standards. Elsevier Science Bv, Amsterdam.

Stalder, E., Blanc, A., Haldimann, M., and Dudler, V. (2012); Occurrence of uranium in Swiss drinking water. Chemosphere, 86(6): 672– 679.

SVGW. Wasserverbrauch im Haushalt – Studie des SVGW in Zusammenarbeit mit dem BUWAL. Info-blatt Nr. TWI 5.

Vaughan, D. J. (2006); Arsenic. Elements, 2(2): 71–75.

WHO (2011); Arsenic in drinking water. Background document for development of WHO Guidelines for drinking water Quality. World Health Organization, Switzerland, Geneva (WHO/SDE/WSH/03.04/Rev/1).

WHO (2005); Uranium in drinking water. Revised background document for development of WHO Guidlines for drinking water Quality. World Health Organization, Switzerland, Geneva (WHO/SDE/WSH/03.04/118).

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