LVA Trinkwasser Klausurvorbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl M.Sc. Sören Hornig

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1 LVA Trinkwasser Klausurvorbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl M.Sc. Sören Hornig SS 2018

2 Gliederung Evaluationsergebnisse Organisatorisches Informationen zur Klausur Klausursprechstunde Zusammenfassung der Vorlesungsreihe Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 2 / 43

3 Generelles zur Klausur Datum: Dienstag, :30 Ort: Modulklausur Siwawi III BI 84.1 Pool-/Einzelprüfung: Halle BI Raumzuteilung im Stud.IP und auf Modulklausur: 2 * 50 Punkte für 120 Min (6 LP) Einzelklausur: 50 Punkte für 60 Min. (3 LP) Hilfsmittel: nicht programmierbarer Taschenrechner + Geodreieck Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 3 / 43

4 Aufbau der Klausur Gesamtpunktzahl: 50 P Bestehen aus Fragenteil (ca. ¾) aus allen Kapiteln des Skriptes zu Verfahren eher grundsätzliche Fragen Bsp: Erklären Sie den Begriff Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht und schreiben Sie die Gleichgewichtsgleichung auf. Was bedeutet die Zerstörung des Gleichgewichtszustandes für die Wasserversorgung? Nennen Sie 6 Verfahren, die zur Feststoffentfernung eingesetzt werden. Rechenteil (ca. ¼) Teilaufgaben aus der Übung (WW-Bemessung) Tillmans Diagramm Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 4 / 43

5 Klausursprechstunde Wann: Montag, :00 15:00 Wo: Seminarraum ISWW, Schleinitzstraße 20 (Trakt Schleinitzstraße im Keller ggü. Eingang SN 20.2) Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 5 / 43

6 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung 8. Reststoffe aus der Wasseraufbereitung 9. Trinkwasserproblematik in E+S-Ländern Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 6 / 43

7 Zusammenfassung Wasser ist lebensnotwendig, Grundlage unserer Kultur und Teil der Daseinsvorsorge Bis in die Neuzeit Epidemien aufgrund von unreinem Trinkwasser img.alibaba.com Entstehen zentraler Wasserversorgung mit Vorbehandlung ab 1842 Entdeckung von Bakterien als Krankheitserreger (1882) Ab 1860 stetig verbesserte Wasseraufbereitung Heute in Deutschland große Netze mit ständiger Verfügbarkeit, guter Qualität bei geringem Preis Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 7 / 43

8 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 1. Wasservorkommen 2. Wasserkreislauf 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 8 / 43

9 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung 8. Reststoffe aus der TW-Aufbereitung 9. Trinkwasserproblematik in E+S-Ländern Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 9 / 43

10 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 1. Der Begriff Trinkwaser 2. Trinkwasserversorgung und Gesundheit 3. Trinkwasserversorgung und Umweltschutz 4. Begriffe der Trinkwasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 10 / 43

11 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 1. Häuslicher Wasserbedarf 2. Wasserbedarf von Gewerbe, Industrie und öffentlichen Einrichtungen 3. Entwicklung des Wasserverbrauches 4. Virtuelles Wasser 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 11 / 43

12 Zusammenfassung der Kapitel 1-4 (Sauberes) Wasser ist Voraussetzung für (gesundes) Leben Die Bedeutung drückt sich in globalen Absichtserklärungen aus (Wasser-Charta, MDGs), Zugang zu Trinkwasser ist Menschenrecht Wasser befindet sich in einem globalen Kreislauf Vom Weltwasservorkommen sind nur 0,3 % als Trinkwasser gewinnbar Deutschland ist wasserreich rd. 15% Wasser-Ressourcennutzung Industrie ist größter Verbraucher Häuslicher Bedarf: 120 L/E*d bei 99% A-grad, aber 5000 L virtuelles Wasser Die TrinkwV ist weltweit schärfster Standard Trinkwasser das bestkontrollierte Lebensmittel in Deutschland Nachhaltiger Schutz der Ressource Wasser notwendig (z.b. EU-WRRL) Internationale Herausforderung: Zugang zu sauberem Wasser schaffen Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 12 / 43

13 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 1. Fassung von Grundwasser 2. Fassung von Quellwasser 3. Uferfiltriertes Wasser und künstliche Grundwasseranreicherung 4. Fassung von Oberflächenwasser 5. Weitere Möglichkeiten zur Wassergewinnung 6. Wasserschutzgebiete 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 13 / 43

14 Zusammenfassung Zur Gewinnung von Trinkwasser stehen verschiedene Grund- und Oberflächenwässer zur Verfügung Rund 4/5 allen Trinkwassers in D stammt aus Grundwasser aufgrund guter Rohwasserqualität Der Rest stammt aus natürlich angereichertem Grundwasser und natürlichen Trinkwasserspeichern (Seen und Talsperren) Flusswasser, Meerwasser und Regenwasser spielen keine Rolle Zur Fassung werden jeweils geeignete Bauten errichtet Vorbeugender Ressourcenschutz durch Wasserschutzzonen Diese gehören zum Multi-Barrieren-System zur Gewährleistung guter Trinkwasserqualität Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 14 / 43

15 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 1. Grundlegende Parameter 2. Mikrobiologische Parameter 3. Chemische Parameter 4. Indikatorparameter 5. Durchführung von Wasseranalysen 7. Trinkwasseraufbereitung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 15 / 43

16 Zusammenfassung Wässer besitzen Inhaltsstoffe nach Herkunft Grundwasser OF-Wasser eher hart und sauber; eher weich und verschmutzt Grundlegende Inhaltsstoffe / Überwachungsparameter sind ph-wert (als Indikator), Ca 2+ & Mg 2+ (Härtebildner), CO 2, HCO -, CO 3 2- (Calcitlösung), Pufferkapazität, Eisen und Mangan (Ausfällungen) Neben hygienischen Anforderungen ist ein Netzschutz vorzusehen Calcitlöslichkeit überschritten Korrosion Calcitabscheidung Ausfällung und Verstopfung Es sind mikrobiologische, chemische Parameter einzuhalten und Indikatorparameter zu überwachen Die Wasserqualität ist veröffentlicht Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 16 / 43

17 Inhaltsstoffe natürlicher Wässer Größenklassen Teilchendurchmes ser Unterklassen Lösungen m (1-100 Å) Elektrolyte Nichtelektrolyte Kolloide m (0,01-1μm) Suspensionen >10-6 m (> 1 μm) Kationen Anionen Hauptinhaltsstoffe (>10 mg/l) Begleitstoffe (0,1-10 mg/l) Spurenstoffe (< 0,1 mg/l) Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Sr 2+ Fe 2+ Mn 2+ NH 4 + Li + Ba 2+ Cu 2+ Ni 2+ Zn 2+ CI - NO 3 - HCO 3- /CO 3 2- SO 4 2- F - Br - NO 2 - PO 4 3- Huminstoffe As(V) Se(VI) O 2 N 2 CO 2 SiO 2 H 3 BO 3 CH 4 NH 3 H 2 S As(III) Rn Silikate Huminstoffe Metallhydroxide Silikate Huminstoffe Tone, Feinsand, Algen, Detritus Metallhydroxide Algen Anthropogene Belastung durch übermäßige Konzentration einiger Stoffe deutlich Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 17 / 43

18 Dissoziationsstufen der Kohlensäure (bei einer Temperatur von 25 C) Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 18 / 43

19 Formen der Kohlensäure Gesamte Kohlensäure Freie Kohlensäure CO 2 (Halb) gebundene Kohlensäure HCO 3 - Überschüssige freie Kohlensäure CO 2 Zugehörige freie Kohlensäure CO 2 Fest gebundene Kohlensäure CO 3 2- Aggressive, kalkangreifende überschüssige freie Kohlensäure CO 2 Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 19 / 43

20 Basekapazität Titration Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 20 / 43

21 Säure- und Basekapazität Aus bekannter Säure-/Basekapazität kann also Carbonathärte und Menge HCO 3 - sowie CO 2 errechnet werden Vorgänge bei der Bestimmung der Säure- und Basekapazität für eine Temperatur t=10 C und eine Ionenstärke I=10 mmol/l [37] Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 21 / 43

22 [CO 2 ] Rückblick Übung Tillmans - Kurve T = 10 C HCO 3ˉ = 105,4 mg/l M(HCO 3ˉ) = 61 mg/mmol HCO 3ˉ = 1, mol/l CO 2 = 20 mg/l M(CO 2 ) = 44 mg/mmol CO 2 ph = 7 = 0, mol/l -3 0 kalkaggressiv 25 C : A ,5 6,6 10 C : 6,6 6,7 6,8 B CO 2 - Strippen +Ca(OH) 2 C D 6,7 25 C kalkabscheidend 6,9 10 C 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,8 8,0 6,8 6,9 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,7 7,9 GGW-Linie bei 10 C [HCO ] bzw. 2 [Ca ] Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht für die Bedingungen Ca 2+ / HCO 3ˉ = 1: 2, T=25 C bzw. 10 C (Tillmans-Kurve) [41] Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 22 / 43

23 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung 1. Aufbereitungsverfahren 1. Mechanische und physikalische Verfahren 2. Chemische Verfahren 3. Biologische Verfahren 2. Aufbereitungsziele Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 23 / 43

24 Zusammenfassung Wasseraufbereitung auf physikalischem, chemischem und biologischem Wege Aufbereitung ist individuell ans Rohwasser angepasst auszulegen, verschiedene Optionen können zielführend sein, Musterlösungen gibt es nicht Zur Abscheidung von Feststoffen existieren mechanische (z.b. Siebe) und physikalische (z.b. Membane) Verfahren mit verschiedenen Trenngrößen Bei der Filtration zwischen Oberflächen- und Tiefenfiltration unterscheiden Insbesondere Langsamsand- und Schnellfilter als Raumfilter vielfach angewandt Membranfilterverfahren mit verschiedenem Trenngrad. Umkehrosmose kann bspw. reines Wasser produzieren. Fouling und Scaling als Problem beachten, Rückspülungen durchführen (Verluste) und Abwasser behandeln (Aufwand) wikimedia.org Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 24 / 43

25 Zusammenfassung Wasseraufbereitung auf physikalischem, chemischem und biologischem Wege Zu physikalischen Aufbereitungsschritten zählen Siebung und Filtration Sedimentation und Flotation Begasung Adsorption UV-Bestrahlung Destillation Die Sedimentation kann durch Erhöhung der Absetzfläche verbessert werden Bei Flotation insbesondere kleine Gasblasen effektiv zur Aufschwemmung Bei Begasung große spezifische Oberflächen durch Anlagengestalt effektiv Zur Adsorption Pulveraktivkohle und Granulat mit jeweiligen Vorteilen UV-Bestrahlung nebenproduktfrei aber aufwändig und ohne Depotwirkung Zur Destillation Verdampfung (energieintensiv) und Membrandestillation mögl. Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 25 / 43

26 Gliederung der Vorlesung 1. Einführung 2. Gesetzliche Grundlagen 3. Wasserversorgung 4. Wasserbedarf und Wassernutzung 5. Wassergewinnung 6. Wasserinhaltsstoffe und Parameter 7. Trinkwasseraufbereitung 1. Aufbereitungsverfahren 1. Mechanische und physikalische Verfahren 2. Chemische Verfahren 3. Biologische Verfahren 2. Aufbereitungsziele Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 26 / 43

27 Zusammenfassung Chemische Verfahren Flockung + Fällung Oxidation Ionentausch durch Entstabilisierung und Aggregation erreichbar zur Entfernung schlecht absetzbarer Teilchen durch Lufteintrag oder Oxidationsmittel wirksam, um weiteren Verfahren Entfernung zu ermöglichen mit Kunstharzen als hintere Stufe zur selektiven Ionenentfernung Biologische Verfahren Entfernung org. Verunreinigung, Nitrit/Nitrat sowie Eisen/Mangan Vorteile: Nachteile: naturnah, chemikalienlos, energiearm, reststoffarm Verstopfung, Regulierbarkeit, nicht alle Substanzen abbaubar Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 27 / 43

28 Gliederung der Vorlesung 7. Trinkwasseraufbereitung 1. Aufbereitungsverfahren 2. Aufbereitungsziele 1. Entsäuerung 2. Enthärtung und Entcarbonatisierung 3. Entsalzung 4. Enteisenung 5. Entmanganung 6. Entfernung gelöster Wasserinhaltsstoffe 7. Entfernung von Stickstoffverbindungen 8. Entfernung organischer Verbindungen 9. Entfernung von Spurenstoffen 10. Desinfektion Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 28 / 43

29 Zusammenfassung der vorigen Vorlesung Entsäuerung Entfernung überschüssiger freier Kohlensäure durch Belüftung, Dosierung von Lauge oder Filtration über basisches Material Enthärtung Entfernung von Ca 2+ und Mg 2+ -Ionen über Fällung, Filtration, Membranverfahren, Gasaustausch zum Kalkausfall und Sonderverfahren Entcarbonisierung Mitentfernung von CO 2 und HCO 3 - -Ionen bei Enthärtung durch ph-anstieg Entsalzung Aufwändige Entfernung aller Wasserionen über Ca, Mg, CO 2 und HCO 3 hinaus Enteisenung Entfernung von Fe 2+ -Ionen durch Oxidation zu Fe 3+ -Verbindungen Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 29 / 43

30 Gliederung der Vorlesung 7. Trinkwasseraufbereitung 1. Aufbereitungsverfahren 2. Aufbereitungsziele 1. Entsäuerung 2. Enthärtung und Entcarbonatisierung 3. Entsalzung 4. Enteisenung 5. Entmanganung 6. Entfernung ungelöster Wasserinhaltsstoffe 7. Entfernung von Stickstoffverbindungen 8. Entfernung organischer Verbindungen 9. Entfernung von Spurenstoffen 10. Desinfektion Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 30 / 43

31 Zusammenfassung Entmanganung häufig gemeinsam mit Enteisenung vorgenommen ähnlich der Enteisenung, aber biologisch langsamer, daher nachgeschaltet Entfernung ungelöster Wasserinhaltsstoffe hygienebedingt gefordert Je kleiner und geringkonzentrierter, desto aufwändiger die Entfernung Entfernung von Stickstoffverbindungen (NH 4, NO 2, NO 3 ) Chemisch-physikalisch oder biologisch Entfernung organischer Verbindungen Durch Abscheidung an Filter oder oxidiert geflockt Entfernung von Spurenstoffen wie Schwermetallen und Medikamenten Durch lange Filtration, Adsorption oder Nanofiltration Desinfektion zur Erhaltung der Gesundheit als letzte Reinigungsstufe thermisch, chemisch oder physikalisch Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 31 / 43

32 Gliederung der Vorlesung 7. Trinkwasseraufbereitung 8. Reststoffe aus der Trinkwasseraufbereitung 1. Rechtliche Regelungen 2. Vermeidung von Wasserwerksrückständen 3. Verwertung von Wasserwerksrückständen 4. Beseitigung von Wasserwerksrückständen 9. Trinkwasserproblematik in Entwicklungs- und Schwellenländern Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 32 / 43

33 Zusammenfassung Rückstände aus WW sind flüssige und feste Stoffe sowie Stoffgemische 2012 in Deutschland t TM/a Wasserwerksrückstände Reststoffe aus Wasseraufbereitungsanlagen sind Siedlungsabfälle und müssen wie Abfall und Abwasser entsprechend den rechtlichen Bestimmungen entsorgt werden (Vermeiden vor Verwerten vor Entsorgen) Rückführung intern nutzbarer Stoffe, Vermarktung von Nebenprodukten, Verwertung oder Entsorgung der Rückstände Verwertung in der Abwasserbehandlung, Land- und Forstwirtschaft, Zementindustrie, Kompostierung von Bioabfall, Gasreinigung, Brachland-Rekultivierung Gute Verwertungsmöglichkeiten, da gering belastet mit Stör- und Schadstoffen und zunehmende Rohstoffknappheit Sekundärrohstoffe interessant macht Probleme bei der Verwertung: Logistik, mangelnde Kenntnisse, mangelnde Qualität und mangelnde Akzeptanz Lösungsvorschläge für Verwertungsprobleme: Logistik optimieren (Entsorgungslogistiksystem) Niederländischer Weg (Gründung einer Verwertungsgesellschaft) Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 33 / 43

34 Gliederung der Vorlesung 7. Trinkwasseraufbereitung 8. Reststoffe aus der Trinkwasseraufbereitung 9. Trinkwasserproblematik in Entwicklungs- und Schwellenländern 1. Gesetzliche Grundlagen 2. Wasserressourcen und Trinkwassergewinnung 3. Wasserbedarf und Wassernutzung 4. Wasserinhaltsstoffe und Wasserqualität 5. Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung in Entwicklungs- und Schwellenländern Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 34 / 43

35 Zusammenfassung Millennium-Entwicklungsziel Anteil der Menschen ohne Zugang zu sauberem Trinkwasser bis 2015 um die Hälfte zu senken ist bereits erreicht Immer noch: 770 Mio. Menschen ohne Zugang zu sauberem Trinkwasser Qualität des "sauberen Trinkwassers ist nicht eindeutig definiert Grenzwerte orientieren sich an WHO-Guidelines, sind oft streng, werden aber wenig kontrolliert Besonders in ländlichen Gebieten keine leitungsgebundene Wasserversorgung sondern dezentrale Wasserversorgung durch Brunnen, Wasserverkäufer, Wasserkiosk oder Wasserhäuser Global gesehen stammen nur 25% des entnommenen Wassers aus Grundwasser, 75% Oberflächenwasser aus Flüssen und Seen Bewässerungslandwirtschaft ist mit 70 % des weltweiten Wasserbedarfs der größte Wasserverbraucher oftmals mangelnde Qualität der Rohwasserressourcen durch Abwassereinleitungen, Nutzung von problematischen Oberflächenwässern Implementierung von Wasseraufbereitungsverfahren muss verschiedenste örtliche, natürliche, finanzielle, kulturelle etc. Gegebenheiten berücksichtigen Beispiele für Filtrationsverfahren: Uferfiltration und Langsamsandfilter in Haushaltsgröße Beispiele für solare Wasseraufbereitungsverfahren: Solare Pasteurisierung, UV-Desinfektion, Solare Destillation Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl, M.Sc. Sören Hornig Trinkwasser SS 2018 Folie 35 / 43