Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

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1 Wasseraufbereitung

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3 Klaus Hancke Stefan Wilhelm Wassera ufbereitu ng Chemie und chemische Verfahrenstechnik Sechste, aktualisierte und erweiterte Auflage mit 90 Abbildungen Springer

4 Professor Dr. Klaus Hancke Fachhochschule Trier Dozent für Chemie und Wasserversorgung Alkuinstraße Trier Professor Dr. Stefan Wilhelm FH Trier, FB6 Versorgungstechnik Schneidershof Trier wilhelm@fh-trier.de Die dritte Auflage ist beim VDI- Verlag, Düsseldorf, erschienen. ISBN ISBN (ebook) DOI / Additional material to this book can be down loaded from Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2003 Softcover reprint of the hardcover 6th edition 2003 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk dierekt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: K. Triltsch, Würzburg 1 Saladruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3111 Ikk SPIN

5 Vorwort zur sechsten Auflage Das von Herrn Professor Hancke vorgegebene Konzept des Buches hat sich bewährt und bleibt auch für die vorliegende neue Auflage maßgebend. Ausgehend von der Wasserchemie, möchte das Buch auch weiterhin die Studierenden der Ingenieurwissenschaften in die vielschichtigen Fragestellungen der Wasserverwendung einführen und den Berufspraktikem wie bisher eine Hilfe bei ihrer täglichen Arbeit sein. In diese Auflage wurden im Kapitel,Physikalische Aufbereitungsverfahren ' neuere Methoden membrantechnischer Wasseraufbereitung erstmals aufgenommen, um damit einem wichtigen Entwicklungstrend in der Wasserbehandlung zu entsprechen. Die Daten der Trinkwasserverordnung, insbesondere in Bezug auf neu definierte bzw. veränderte Grenzwerte, wurden aktualisiert. Trier, April 2003 Stejan Wilhelm Vorwort zur fünften Auflage Auch die 1998 erschienene vierte Auflage hat in der Fachwelt wieder ein sehr positives Echo gefunden, so dass wir schon bald mit der Vorbereitung der fünften Auflage beginnen konnten. Dies hat uns die Möglichkeit gegeben, den Text noch einmal durchzusehen und einige wichtige Korrekturen vorzunehmen. v

6 Vorwort zur ersten Auflage Chemische Wasseraufbereitungsverfahren sind Bestandteil vieler Wasseraufbereitungsanlagen in der Industrie und in kommunalen Wasserversorgungsunternehmen. Betrieben werden diese Wasseraufbereitungsanlagen häufig von technisch ausgebildetem Personal, das nur über geringe chemische Kenntnisse verfügt. Dieses Buch wendet sich an Studenten der Ingenieurwissenschaften, insbesondere an Studenten der Fachrichtungen Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Verfahrenstechnik und Versorgungstechnik. Außerdem soll es auch erfahrene Betriebspraktiker ansprechen, die für den Betrieb chemischer Wasseraufbereitungsanlagen verantwortlich sind. Es ist das Anliegen des Autors, bei Technikern das Interesse für das Verstehen chemischer Zusammenhänge bei der Wasseraufbereitung zu wecken. Deswegen umfaßt das Buch auch die chemischen und wasserchemischen Grundlagen, die zum Verständnis der-chemischen Wasseraufbereitungsverfahren notwendig sind. Das Buch beschreibt in den Abschnitten I und II zunächst die theoretischen allgemein-chemischen und wasserchemischen Grundlagen. Die Darstellung zielt nicht auf wissenschaftliche Genauigkeit, sondern auf gutes Verständnis elementarer Aussagen. Deshalb sind viele grundlegende Fakten sehr vereinfacht dargestellt. In den Abschnitten III bis VI sind spezielle chemische Wasseraufbereitungsverfahren erläutert, zudem die theoretischen Zusammenhänge kurz dargestellt. Die Dimensionierung chemischer Wasseraufbereitungsverfahren ist anhand vieler Beispielrechnungen erklärt. Abschnitt VII schließlich beschreibt den korrosionsfreien und sedimentationsfreien Transport von Wasser zum Verbraucher. Neu ist das zusammengefaßte Wissen über wasserchemische Grundlagen, chemische Wasseraufbereitungsverfahren und durch Trinkwasser verursachte Korrosion und deren Verhütung. Neu ist auch die einfache, gut verständliche Darstellung. Neu ist schließlich die konsequente Anwendung des SI-Systems. Der Autor hofft, daß das Buch sowohl Studenten als auch Praktikern, die chemische Wasseraufbereitungsanlagen planen oder betreiben, das Verständnis chemischer Zusammenhänge bei der Wasseraufbereitung erleichtert. Schweich, Juni 1989 Klaus Hancke

7 Inhalt I Ausgewählte Kapitel der allgemeinen Chemie. 1 Stoffarten Reine Stoffe Homogene und heterogene Mischungen Trennung von Stoffgemischen Einteilung reiner Stoffe Elemente Verbindungen. 6 2 Atomarer Aufbau der Materie Aufbau der Elemente Elemen tarteikhen Atome Atomkern und Nukleonen Aufbau der Elemente - Kernreaktionen Radioaktive Nuklide Elektronenhülle und Periodensystem Bohrsches Atommodell Quantenzahlen Aufbau der Atome Hauptquantenzahl n = 1; erste Periode Hauptquantenzahl n = 2; zweite Periode Hauptquantenzahl n = 3; dritte Periode Hauptquantenzahl n = 4; vierte Periode Hauptquantenzahl n = 5; fünfte Periode Hauptquantenzahl n = 6; sechste Periode Hauptquantenzahl n = 7; siebte Periode Periodensystem der Elemente Atom- und Ionenradien Ionisierungsenergie Elektronenaffinität Wertigkeit 31 VII

8 VIII Chemische Bindung Ionenbindung Elektronenpaarbindung (Atombindung, Kovalenzbindung) Metallbindung Zwischenmolekulare Kräfte Wechselwirkung zwischen Ionen und Dipolmolekülen Wechselwirkung zwischen Ionen und Molekülen mit induziertem Dipolmoment Wechselwirkung zwischen zwei Dipolmolekülen.. Wechselwirkung zwischen Dipolmolekülen und Molekülen mit induziertem Dipolmoment.... Wechselwirkung zwischen Molekülen mit induziertem Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindung SI-Einheiten der Wasserchemie Umrechnung von deutschen Härtegraden in andere Maßeinheiten Umrechnung amerikanischer, englischer und französischer Härtegrade in deutsche und internationale Einheiten Grundgesetze der allgemeinen Chemie (Auswahl) Gesetze der Stöchiometrie Beispiele stöchiometrischer Berechnungen Massenwirkungsgesetz Grundlagen Prinzip des kleinsten Zwanges von Le Chatelier und Braun Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht Typen anorganischer Reaktionen Säure-/Base-Gleichgewicht. Stärke von Säuren und Basen ph-wert.... Redoxvorgänge Stärke von Oxidations- und Reduktionsmitteln Beispiele für Redoxreaktionen in der Wasserchemie Wasserchemie Definition wichtiger Begriffe ph-wert... Puffersysteme Osmotischer Druck Elektrolytische Dissoziation

9 8 Wasserchemische Berechnungen System Kohlensäure - Wasser - Calcium Berechnung der Stoffmengenkonzentrationen an c(c0 2 ), c(hc03) und c(co~-) Wasser härte Kalk -Ko hlensä ure-g leichgewich t Rechenverfahren C 10-R2 nach DIN Teil 10, Ausgabe Berechnung des Gleichgewichts-Kohlenstoffdioxids Berechnung des Sättigungs-pH-Wertes ph L Rechenverfahren C lo-r 3 nach DIN 38404, Teil 10, Ausgabe Grundlagen Calci tsä ttigung Massenbilanz Elektroneutralitätsbedingung Basisgleichung zur Bestimmung des Gleichgewichtssystems Anwendung der Basisgleichung Errechnen der Stoffmengen- bzw. der Massenkonzentration an Natriumionen 110 III Chemische Wasseraufbereitung Aufgabe der chemischen Wasseraufbereitung Mechanische Aufbereitungsverfahren Physikalische A ufberei tungsverfahren Filtration über chemisch inerte Materialien Praktische Hinweise zur Filtration über körnige Materialien Filtrationsarten Betriebs- und Dimensionierungsgrößen Wahl der Korngrößenverteilung Schmutzaufnahmevermögen Filterrückspülung Wasserspülung Luft-Wasser-Spülung Kombinierte Luft-Wasser-Spülung Zeitdauer der Spülphasen Mehrschichtfiltration Freibordhöhe Aufbau einer Monoschicht-Kiesfilteranlage 128 IX

10 11.4 Membranfiltration bei der Trinkwasserautbereitung Umkehrosmose Nanofiltration Mikrofiltration Ultrafiltration Membranaufbau Kenngrößen der Ultrafiltration Betriebsweisen von Ultrafiltrationsanlagen Einsatz der UF in der Trinkwasseraufbereitung Chemische Aufbereitungsverfahren.... Enteisenungs- und Entmanganungsverfahren Entstehen von Eisen- und Manganverbindungen im Wasser Entstehen im Grundwasser Entstehen in oberirdischen Fließgewässern Entstehen in stehenden Oberflächengewässern Gründe für die Enteisenung und Entmanganung. Chemische Enteisenung Chemische Entmanganung Biologische Vorgänge bei der Enteisenung und Entmanganung.... Biologische Entmanganung Empfehlungen zur Verfahrenwahl und zur Dimensionierung von Enteisenungs- und Entmanganungsanlagen Filterdimensionierung..... Sauerstoffanreicherung im Wasser.... Entsäuerungsverfahren Entsäuerung durch physikalische Verfahren Entsäuerung durch Filtration über alkalische Filtermedien Filtration über Marmorsplit Filtration über halbgebrannten Dolomit Entsäuerung durch Neutralisation mit Laugen. Entcarbonisierungsverfahren..... Entcarbonisierung durch Säureimpfung.... Säureverbrauch Erhöhung der Anionenkonzentration im autbereiteten Wasser.... Kalkentcarbonisierung Schnellentcarbonisierung Reaktoren zur Schnellentcarbonisierung Erzielbare Wasserqua1ität. Langzeitentcarbonisierung Erzielbare Wasserqualität x

11 Flockung.... Flockungsmittel (FLOMI)... Flockungshilfsmittel (FLOHIMI) Ionogene Polymere Anionische Polymere Kationische Polymere Nichtionogene Polymere Verfahrenstechnik der Flockung Ionenaustausch Skelettstruktur von Ionenaustauschharzen Gleichgewicht Stark saure Kationenaustauschharze in der Wasserstoffionenform Qualität des aufbereiteten Wassers Schwach saure Kationenaustauschharze in der Wasserstoffionenform Stark basische Anionenaustauschharze in der Nicht-Hydroxidionenform Stark basische Anionenaustauschharze l74 l in der Hydroxidionenform Regeneration stark basischer Harze Mineralsäureabsorption durch schwach basische Harze Qualität des aufbereiteten Wassers Reaktionsgeschwindigkeit Stark dissoziierte Ionenaustauschharze Schwach dissoziierte Ionenaustauschharze Regenerationsarten Gleichstromregeneration Gegenstromregeneration Gegenstromverfahren mit oben (in der Harzschicht) liegendem Chemikalienentnahmesystem Econex-Verfahren Schichtbettfilter Schwebebettverfahren Kurztaktverfahren Kontinuierliche Ionenaustauschverfahren Mischbettfilter Behälterhydraulik Wasser- bzw. Chemikalienverteilung Toträume zwischen Düsen- und Abschlußboden Harztransport XI

12 IV Entcarbonisierung mit schwach sauren Kationenaustauschharzen.... Enthärtungsverfahren..... Fällungsenthärtung Enthärtung durch Ionenaustausch Vollentsalzung durch Ionenaustausch. Kondensatreinigungsanlagen Mechanische Filtration Chemische Aufbereitung Dekontaminierung radioaktiv verseuchter Wässer Meerwasserentsalzung.... Meerwasserentsalzungsanlagen Elektrodialyse Umgekehrte Osmose. Vorreinigungsanlage. Umkehrosmoseanlage Mehrstufige Entspannungsverdampfung V Verfahren zur Desinfektion und zur Verringerung der Nitrationenkonzentration des Trinkwassers Desinfektion.. Langsamfiltration Abkochen. Chlorung.. Ozonisierung UV -Strahlen Silberungsverfahren (Oligodynamie) Wasserstoffperoxid Maßnahmen zur Verringerung der Nitrationenkonzentration im Trinkwasser Ursachen der erhöhten Nitrationeritielastung des Grundwassers Denitrifikation im Grundwasserleiter Technische Reduktion der Nitrationenkonzentration in Trinkwasser Wasserwirtschaftliche Maßnahmen Physikalische Verfahren Chemische Verfahren Anionenaustausch XII

13 Kombinierter Kationen- und Anionenaustausch Teilentsalzung nach dem CARIX-Verfahren Technische biochemische Verfahren Heterotrophe Denitrifikation Autotrophe Denitrifikation Grundsätzlicher Aufbau der Anlagen zur Denitrifikation Diskussion einiger Fließbilder verschiedener Anlagenhersteller 276 VI Schwimmbadwasserautbereitung Wasserkreislauf Desinfektion Filtration Wassererneuerung 282 VII Korrosions- und sedimentationsfreier Transport von Trinkwasser Korrosion in Trinkwassersystemen Einführung Korrosionstypen Wasserstoffkorrosionstyp Sauerstoffkorrosionstyp Sauerstoff-Konzentrationselement Schmutzteilchen-Korrosionstyp Korrosionsformen Instationäre Korrosion Erhöhte Korrosion in Warmwassersystemen Werkstoffe in der Trinkwasserversorgung Stahl Duktiles Gußeisen Kunststoffe Asbestzement Beton Verzinkter Stahl Kupfer Kupferhaltige Werkstoffe Kennwerte für Trinkwasser bei Einsatz verschiedener Werkstoffe Kontaktkorrosion Korrosionsschutz in Trinkwasserversorgungssystemen Natürliche Schutzschichten Künstliche Schutzüberzüge 305 XIII

14 19.3 Korrosionsinhibitoren Härtestabilisierung Kathodischer Schutz 308 Anhang: Bundesgesetzblatt 313 Verordnung zur Novellierung der Trinkwasserverordnung 22 Literatur Sachwortverzeichnis 345 XIV