Mögliche Aufbereitungsverfahren für Quellwasser

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1 Weiterbildungskurse Mögliche Aufbereitungsverfahren für Quellwasser Von: Peter Hartmann Dipl. Umweltingenieur ETHZ WABAG Wassertechnik AG Leiter Wasser Schweiz Bürglistrasse Winterthur Veranstaltungsort: 1

2 Mögliche Aufbereitungsverfahren für Quellwasser Autor / Referent: Peter Hartmann, WABAG Wassertechnik AG 1. Einleitung Quellwasser kommt in der Schweiz in ganz unterschiedlicher Qualität vor. Es findet sich Quellwasser von sehr hoher Qualität, das ohne Aufbereitung direkt als Trinkwasser genutzt werden kann und es werden auch Quellen genutzt, die über mehrere Stufen aufbereitet werden müssen, um Trinkwasserqualität zu erreichen. Die zu wählende Verfahrenstechnik hängt einerseits von den zu eliminierenden Substanzen und der Zusammensetzung des Wassers, sowie andererseits von der gewünschten Trinkwasserqualität ab. Während die Anforderungen des schweizerischen Lebensmittelhandbuches für alle Trinkwasserversorgungen gelten, gibt es durchaus auch solche, die sich eine höhere Qualität zum Ziel setzen. Dieses Referates soll einen Überblick über die verschiedenen möglichen Aufbereitungstechnologien zu geben. 2. UV Anlagen Die Desinfektion von Quellwasser mittels einer UV-Anlage ist bereits seit mehreren Jahrzehnten eine gute und bewährte Technologie. Für die genaue Funktionsweise einer UV-Anlage verweise ich auf den Posten B1 (des zweiten Tages). Zusammengefasst wird das Wasser mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Bakterien werden damit immobilisiert und abgetötet, so dass das Wasser anschliessend als Trinkwasser abgegeben werden kann. Einschränkend ist zu sagen, dass die Desinfektionswirkung nur dann funktioniert, wenn das Wasser klar ist und keine grössere Trübung aufweist, auch der Gehalt an gelösten organischen Substanzen beeinflusst die Desinfektionsleistung. Die UV- Strahlung verliert dann an Intensität, so dass Bakterien und weitere bakterielle Inhaltstoffe die UV-Anlage passieren können. Eine Desinfektion mittels UV bietet auch keinen nachhaltigen Netzschutz. Die Desinfektion findet in der UV-Anlage statt, aber es wird dem Wasser keine Schutzwirkung mitgegeben. 3. Chlorierungen Die Chlorierung von Quellwasser (oder anderen Rohwässern) war vor allem früher eine bestens bekannte und oft angewandte Technologie. Heute wird versucht, möglichst darauf zu verzichten, weil man weiss, dass je nach Zusammensetzung des Rohwassers bei der Chlorierung Nebenprodukte entstehen können, die im Trinkwasser nicht erwünscht sind. Die Zugabe von Chlor findet daher vor allem dann statt, wenn eine Schlussdesinfektion nach einer Aufbereitung erforderlich ist und/oder wenn dem Wasser ein sogenannter Netzschutz mitgegeben werden soll. 2

3 Chloriert wird entweder mit Javelwasser (Natriumhypochlorit) oder mit Chlordioxid. Beide Produkte haben ihre Vor- und Nachteile, daher sollten diese jeweils Fallbezogen geprüft und so über die Produktewahl entschieden werden. 4. Langsamsandfilter Wenn das Rohwasser aufgrund seiner Trübung und bakteriellen Beschaffenheit aufbereitet werden muss, dann kam als eine der ersten Technologien der sogenannte Langsamsandfilter als einzige Aufbereitungsstufe zur Anwendung. Charakteristisch für den Langsamsandfilter sind die tiefen Filtrations- geschwindigkeiten von einem bis mehreren Metern pro Tag. Daher hat diese Nachbildung der Natur (Filtrierung durch den Boden) einen grossen Flächenbedarf. Sie ist darum heute vor allem in Gebieten mit dichter Besiedelung (wie zum Beispiel die Schweiz) und knappem Raumangebot nicht mehr unbedingt die erste Wahl. Die Langsamsandfilter-Technik bedingt auch keine Rückspülung, die oberste beladene Sandschicht wird periodisch abgetragen und bei Bedarf ergänzt. Diese Anlagen sind einfach und sehr sicher im Betrieb. Durch die sehr tiefe Filtrationsgeschwindigkeit wird ein ausgezeichnetes Filtrat sowohl bezüglich Trübung, wie auch biologisch abbaubaren organischen Substanzen (AOC) erzielt. Abbildung 1: Langsamsandfilter Die Qualität, die mit einem Langsamsandfilter erreicht wird, ist sonst nur mit mehrstufigen Aufbereitungsanlagen zu erzielen. Sowohl die Entfernung von Trübstoffen, wie auch der Abbau von AOC (Assimilierbarer Organischer Kohlenstoff) und auch die Reduzierung der Keimzahlen sind bei richtigem Betrieb ausgezeichnet. 5. Schnellfilter / Ein- und Mehrschichtfilter Der hohe Platzbedarf des Langsamsandfilters hatte zur Folge, dass die Filtertechnologie sich weiter entwickeln musste. Die technische Weiterentwicklung des Langsamsandfilters ist der Schnellfilter. Hier wird mit Filtrations- geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Stunde deutlich schneller gefahren. Zudem ist der Schnellfilter im Gegensatz zum Langsamsandfilter rückspülbar. Er kann als Ein- oder Mehrschichtfilter ausgeführt werden, je nach Zusammensetzung des Rohwassers und der Aufbereitungsziele. 3

4 Der Schnellfilter wird seit über 60 Jahren in der Schweiz eingesetzt und hat sich bestens bewährt. Die Möglichkeiten einer Automatisierung des Betriebs haben dazu beigetragen, dass die Leistungen des Filters noch weiter optimiert werden konnten. So ist der Schnellfilter heute eine gängige und klassische Aufbereitungsstufe zur Entfernung von Trübstoffen aus dem Rohwasser. Auch für die Aufbereitung von Quellwasser kommt er häufig zum Einsatz. Seine Robustheit und sein einfacher, sicherer Betrieb machen ihn zum idealen Filter für viele Gebiete. Früher wurden diese Filter noch manuell betrieben, die Rückspülungen liefen nicht über eine Automatisierung ab, sondern wurden von Hand ausgelöst und durchgeführt. Der Ein- oder Mehrschichtfilter wird mit 5 12 m/h hydraulisch belastet. Daher ist sein Platzbedarf bedeutend kleiner im Vergleich zu einem Langsamsandfilter. Zusätzliche Stufen wie Flockung und Desinfektion sind meistens notwendig. Abbildung 2: Der Schnellfilter in Betonbauweise Nachteilig an Schnellfiltern ist zum einen seine begrenzte Filtrationskapazität, die ihn ab einer gewissen Trübung im Rohwasser überfordert. Die Laufzeiten bei sehr hohen Trübungen werden kurz, die Filtrattrübung steigt und es kann ohne eine entsprechende Überwachung zu Durchbrüchen kommen. Im Weiteren genügt er oft nicht den gesetzlichen Anforderungen bezüglich bakteriologischer Reinigung. Daher braucht es im Ablauf eines Schnellfilters immer noch eine Desinfektionsstufe, die diesem Aspekt Rechnung trägt. 6. Ozon Ozon ist das stärkste Oxidationsmittel, dass in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt wird. Vor allem in konventionellen Aufbereitungsanlagen dient die Ozonung der Desinfektion des Wassers. Zusätzlich hilft Ozon auch bei der Bildung einer besseren Flockenstruktur, die wiederum zu einer besseren Filtration beiträgt. Durch die Oxidation mit Ozon werden Geruchs- und Geschmacksstoffe oxidiert und es erfolgt eine teilweise Umwandlung von DOC (gelöster organischer Kohlenstoff) zu AOC. Dieser kann in einer nachfolgenden Stufe biologisch abgebaut werden und somit wird das gewonnene Wasser biologisch stabiler. 4

5 Auch eine eventuelle Färbung des Wassers kann mit Ozon wirksam aus dem Wasser entfernt werden. Zudem wird dem Wasser mit Ozon auch gleichzeitig Sauerstoff zugefügt, der mit zu einem frischen Geschmack beiträgt. Die Ozonung ist eine sehr starke Desinfektionsstufe und wird seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Eine effizientes Eintragssytem und eine optimierte Gestaltung der Reaktionskammer sind der Schlüssel zu einer hohen Desinfektionsleistung und verbesserten Ozon- Absorptionsgraden. Abbildung 3: Ozonung und Eintragssystem im Seitenstrom-Verfahren Für die Aufbereitung von Oberflächenwasser (z.b. Seewasser) oder von oberflächenbeeinflusstem Wasser (z.b. Quellwasser) empfiehlt es sich, den Einsatz von Ozon immer zu prüfen. Allerdings bedarf es nach der Ozonung immer auch einer Aktivkohlestufe, um das verbliebene Ozon wieder aus dem Wasser zu entfernen und die erhöhte Fracht an biologisch abbaubaren Substanzen sicher zu entfernen. 7. Aktivkohlefilter Der Aktivkohlefilter dient zur Eliminierung von eventuell noch vorhandenem Restozon nach einer Ozonstufe und zur Reduktion und Entfernung von organischen Inhaltsstoffen (AOC und DOC). Ein Aktivkohlefilter wird im Grundsatz gleich aufgebaut wie ein Schnellfilter. Anstelle von Sand oder anderen, konventionellen Filtermedien wird Aktivkohle in granulierter, körniger Form eingesetzt. Diese Aktivkohle basiert meist auf Steinkohle und besitzt eine sehr hohe Porosität und eine entsprechend hohe Oberfläche. Über diese kann sie ihre Adsorptionskapazität entfalten und die obengenannten Aufgaben erfüllen. Aktivkohle gibt es in vielen, unterschiedlichen Varianten. Die Auswahl des richtigen Produkts basiert nicht nur auf den Inhaltsstoffen im Wasser, die entfernt werden sollen, sondern auch nach Einsatzart, Platzierung in der Aufbereitungskette und der gewünschten Lebensdauer bzw. der Möglichkeit zur Reaktivierung. Der Herkunft der Aktivkohle kommt in Zukunft eine noch grössere Bedeutung zu, denn die 5

6 ansteigende Verknappung von Aktivkohle führt dazu, dass auch qualitativ minderwertige Aktivkohleprodukte für Trinkwasseranwendungen angeboten werden. Der Aktivkohlefilter ist eine bewährte und vielseitig einsetzbare Aufbereitungsstufe. Die Filtrationsleistung, kombiniert mit den adsorptiven Eigenschaften von Aktivkohle,sind besonders für die Aufbereitung von belasteten oder äusseren Einflüssen ausgesetzten Quell- und Oberflächenwässern sehr vorteilhaft. Abbildung 4: Der Aktivkohlefilter Wie der Schnellfilter kann auch ein Aktivkohlefilter sowohl in Form eines Stahltanks oder auch in Betonform ausgeführt sein. Die Wahl richtet sich entsprechend der Aufbereitungsmenge, nach Platzangebot und räumlichen Randbedingungen. 8. Ultrafiltration Die Filtration über Membranen hat in den letzten 10 Jahren in der Schweiz stark an Bedeutung gewonnen. Die Ultrafiltration hat sich dabei in der Trinkwasserwird Wasser durch einen aufbereitung durchgesetzt. Bei der Membranfiltration entsprechenden Differenzdruck durch Poren von definierter Porengrösse filtriert. Partikel die grösser als diese Poren sind werden dabei zurück gehalten und somit aus dem Wasser entfernt. Zu diesen Partikeln gehören nicht nur sämtliche Trübstoffe, sondern auch Bakterien, Parasiten und Viren. Aus diesem Grund kann bei der Ultrafiltration von einer mechanischen Desinfektion gesprochen werden. In der Schweiz haben sich die Hohlfasermodule gegen Plattenmembranen durchgesetzt. Sie kommen in zwei verschiedenen Systemen zur Anwendung, den Druckrohrsystemen und den getauchten Systemen. Beide haben ihre Vor- und Nachteile, die es entsprechend zu berücksichtigen gilt. 6

7 Die Ultrafiltration ist die modernste, aber bereits etablierte Aufbereitungstechnologie, die in der Quellwasseraufbereitung angewendet wird. Bei richtiger Anwendung ist sie äusserst effizient, besonders bei hohen Trübstofffrachten bringt sie ihre Vorteile ganz zur Geltung. Abbildung 5: Die Ultrafiltration Für die Aufbereitung von Quellwasser kommt der Ultrafiltration ein spezieller Stellenwert zu. Durch die spezielle Fähigkeit sowohl die Trübung fast vollständig zu eliminieren, als auch Bakterien und Viren abfiltrieren zu können, erreicht die Ultrafiltration zwei Ziele zur Trinkwasserqualität in einem Schritt. Vor allem für die Aufbereitung von stark mit anorganischen Trübstoffen belasteten Quellwässern, wie sie zum Beispiel in Karstgebieten typisch sind, eignet sich die Ultrafiltration daher ausgezeichnet. Trotzdem gilt es das Rohwasser im Detail anzuschauen, denn gelöste Substanzen wie DOC oder Farbe passieren die Membranen zu einem grossen Teil oder gar vollständig. Daher ist auch der Einsatz von Membrantechnik immer auf die entsprechende Rohwasserqualität hin zu prüfen. Gegebenenfalls müssen mehrere Aufbereitungsstufen eingesetzt werden (Kap. 9), wobei die Ultrafiltration durchaus einen Platz darin einnehmen kann. 9. Mulitbarrieren-Systeme Neben Quellen, die mit einer einzigen Aufbereitungsstufe wie Filtration oder Ultrafiltration und eventuell einer Ergänzung durch zum Beispiel Flockung oder Schlussdesinfektion aufbereitet werden können, gibt es auch Quellen die stärker belastet sind und wo eine einzige Aufbereitungsstufe nicht ausreicht. Für diese stark belasteten Quellen sind mehrere Aufbereitungsstufen notwendig. So beinhaltet die klassische, mehrstufige Aufbereitung: Flockung/Vorozonung Schnellfilter Ozonung Aktivkohlefiltration Schlussdesinfektion 7

8 Ein Mulitbarrieren-System beinhaltet mehrere Aufbereitungsstufen, die Anzahl der Stufen und die Dimensionierung sind vor allem von den Rohwassereigenschaften abhängig und müssen als Gesamtsystem betrachtet und ausgelegt werden. Abbildung 6: Das Multibarrieren-System Von Multi-Barrieren-Systemen spricht man, wenn nicht nur die Aufbereitung mehrstufig ist, sondern wenn die Funktion einer Hauptstufe durch eine Andere übernommen werden kann. In der letzten Zeit hat sich auch die Ultrafiltration ihren Platz in solchen Multi-Barrieren-Systemen gesichert. Eine solche Aufbereitungskette sieht zum Beispiel wie folgt aus: Ozonung Aktivkohlefiltration Ultrafiltration oder auch Ultrafiltration Ozonung Aktivkohlefiltration Schlussdesinfektion Ob jetzt eine klassische Verfahrenskette gewählt oder ob auf den Einsatz einer Membranfiltration gesetzt wird, hängt einerseits von der Charakteristik des aufzubereitenden Rohwassers ab, andererseits aber auch am Standard der technischen Infrastruktur einer Wasserversorgung. Entscheidend ist, dass die Einhaltung der Trinkwasser-Gütewerte des schweizerischen Lebensmittelhandbuchs sowohl klassisch als auch klassisch/modern gut erreicht wird. 10. Einsatzgrenzen der Verfahren Jedes Verfahren hat seine Vorteile und speziellen Eigenschaften. Natürlich hat auch jedes Verfahren seine Nachteile und Grenzen. So ist ein Sandfilter in der Eliminierung von Trübstoffen begrenzt, dafür sind die Kosten für Investition und Unterhalt tief und der Betrieb sehr einfach. Eine Membranfiltration filtriert zwar äusserst effizient und sogar Trübstoffe, Bakterien und Viren in einem Schritt. Dafür müssen für die Reinigung Chemikalien eingesetzt werden, die es anschliessend wieder zu entsorgen gilt. Vor- und Nachteile, Möglichkeiten und Grenzen jedes Verfahrens gilt es zu kennen, abzuwägen und zu bewerten. Das Fachwissen zu jedem System ist dabei eine wichtige Basis, um die passende Entscheidung treffen zu können. 8

9 11. Wartung & Unterhalt Je komplexer ein System wird und je mehr Technik (Aggregate, Messtechnik, bewegte Teile) in einer Aufbereitung zusammen kommt, desto anfälliger wird es generell für Störungen. Mit den heutigen Möglichkeiten in Automation und Überwachung können diese Störungen wohl besser erfasst werden, sie sind aber immer noch zu beheben. Daher ist das Betriebspersonal gefordert. Es ist wünschenswert, wenn es bei der Entscheidung mitreden kann und darf, da es später das gewählte System ja auch betreuen muss. 12. Zusammenfassung Quellwasser kann heute auf ganz verschiedene Arten aufbereitet werden. Die Zusammensetzung des Rohwassers gibt dabei das Verfahren oder die Verfahrensstufen vor, die zur Aufbereitung möglich und notwendig sind. Neben der Kenntnis der zu entfernenden Substanzen sind auch die räumlichen Rahmenbedingungen, sowie Tagesganglinien und jahreszeitliche Schwankungen von Wichtigkeit. Die Erfassung des Ist-Zustandes ist somit entscheidend, auch gilt es die betriebstechnischen Möglichkeiten einer Wasserversorgung zu kennen. Technisch kann praktisch jedes Quellwasser in der Schweiz und sei es noch so belastet, zu Trinkwasser aufbereitet werden. Ob die Nutzung einer Quelle auch Sinn macht, ist die Entscheidung der Wasserversorgung und von kantonalen Fachstellen, die beratend unterstützen können. Von der einfachen Desinfektion mittels UV-Anlage über eine Filtration bis hin zu Multibarrieren-Systemen gibt es bereits heute für jedes Verfahren Referenzen. Wenn ein Betrieb oder eine Wasserversorgung sich Gedanken macht, eine Quelle aufzubereiten oder die aktuelle Aufbereitung zu modernisieren, empfiehlt es sich immer, solche Referenzen zu besuchen. Denn nicht zuletzt entscheiden sich die Wasserversorgungen auch nach ihren persönlichen Einschätzungen und gesammelten Erfahrungen der Betreiber. 9