Stefan Wilhelm Wasseraufbereitung

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1 Stefan Wilhelm Wasseraufbereitung

2 Stefan Wilhelm Wasseraufbereitung Chemie und chemische Verfahrenstechnik 7., aktualisierte und ergänzte Auflage 123

3 Professor Dr.-Ing. Stefan Wilhelm Fachhochschule Trier Fachbereich BLV Versorgungstechnik Schneidershof Trier ISBN e-isbn DOI / Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Springer-Verlag Berlin Heidelberg 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 der 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. 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 direkt 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. Einbandgestaltung: WMX Design GmbH, Heidelberg Satz und Herstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Gedruckt auf säurefreiem Papier springer.com

4 Vorwort Vorwort zur siebten Auflage In der vorliegenden Auflage wurden einige Aktualisierungen und Präzisierungen vorgenommen, die sich im Wesentlichen durch neue Vorschriften und Richtlinien in der chemischen Wasseraufbereitung ergeben haben. Im Kapitel Wasserchemische Berechnungen wurde ein Beispiel zur Bestimmung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts aus einer Trinkwasseranalyse neu aufgenommen. Das Kapitel Desinfektion wurde vollständig überarbeitet. Für Verbesserungs- und Ergänzungsvorschläge ist der Autor dankbar. Trier, September 2007 Stefan Wilhelm 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 Berufspraktikern 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 Stefan Wilhelm v

5 vi Vorwort 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 allgemeinchemischen 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

6 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeine chemische Grundlagen Stoffarten ReineStoffe Homogene und heterogene Mischungen Trennung von Stoffgemischen EinteilungreinerStoffe Elemente Verbindungen Atomarer Aufbau der Materie AufbauderElemente Elementarteilchen Atome ElektronenhülleundPeriodensystem Bohr schesatommodell Quantenzahlen AufbauderAtome PeriodensystemderElemente Chemische Bindung Ionenbindung Elektronenpaarbindung (Kovalenzbindung, Atombindung) Metallbindung ZwischenmolekulareKräfte 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 vii

7 viii Inhaltsverzeichnis Wechselwirkung zwischen Molekülen mit induziertem Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindung SI-Einheiten der Wasserchemie Definitionen Stoffmenge n Äquivalent(Äquivalentteilchen) Molare Masse M (früher Atomgewicht, Molekulargewicht) Zusammensetzung von Mischphasen Massenanteil w (frühergewichtsprozent) Stoffmengenanteil x (frühermolprozent) Volumenanteil ψ (frühervolumprozent) Massenkonzentration ρ (früher Konzentration und Gewichts-Volumprozent) Stoffmengenkonzentration c (früher molare Konzentration) Äquivalentkonzentration c(1/zx) (frühervalkonzentration) Volumenkonzentration σ (frühervolumprozent) Molalität b (frühermol-gewichtsprozent) Titer t Umrechnung von deutschen Härtegraden in andere Maßeinheiten Umrechnung amerikanischer, englischer undfranzösischerhärtegrade Grundgesetze der allgemeinen Chemie (Auswahl) GesetzederStöchiometrie Beispiele stöchiometrischer Berechnungen Massenwirkungsgesetz Grundlagen Prinzip des kleinsten Zwanges von Le Chatelier und Braun ReaktionsgeschwindigkeitundchemischesGleichgewicht Typen anorganischer Reaktionen Säure-/Base-Gleichgewicht StärkevonSäurenundBasen Redoxvorgänge Stärke von Oxidations- und Reduktionsmitteln Beispiele für Redoxreaktionen in der Wasserchemie Definition wichtiger wasserchemischer Begriffe ph-wert Puffersysteme OsmotischerDruck ElektrolytischeDissoziation... 75

8 Inhaltsverzeichnis ix 8 Wasserchemische Berechnungen SystemKohlenstoffdioxid Wasser Calcium Berechnung des anorganisch gebundenen Kohlenstoffs Ermittlung des ph-wertes mittels K S (4,3) r Berechnung der Stoffmengenkonzentration an c(co 2 ) Berechnung der Stoffmengenkonzentration an c(hco 3 ) Berechnung der Stoffmengenkonzentration an c(co 2 3 ) Wasserhärte Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht AllgemeineTheorie Rechenverfahren C 10-R 2 nach DIN Teil 10, Ausgabe Rechenverfahren C 10-R 3 nach DIN 38404, Teil 10, Ausgabe Prüfung der Ladungsbilanz einer Trinkwasseranalyse Verfahren der Wasseraufbereitung Mechanische Aufbereitungsverfahren Physikalische Aufbereitungsverfahren Filtrationsverfahren Filtration über chemisch inerte Materialien Praktische Hinweise zur Filtration über körnige Materialien Filtrationsarten Betriebs- und Dimensionierungsgruppen WahlderKorngrößenverteilung Schmutzaufnahmevermögen Filterrückspülung Mehrschichtfiltration Freibordhöhe Aufbau einer Monoschicht-Kiesfilteranlage MembranfiltrationbeiderTrinkwasseraufbereitung Umkehrosmose Nanofiltration Mikrofiltration Ultrafiltration Chemische Aufbereitungsverfahren Enteisenungs- und Entmanganungsverfahren Entstehen von Eisen- und Manganverbindungen imwasser Gründe für die Enteisenung und Entmanganung Chemische Enteisenung Chemische Entmanganung

9 x Inhaltsverzeichnis Biologische Vorgänge bei der Enteisenung und Entmanganung Empfehlungen zur Verfahrenswahl und zur Dimensionierung von Enteisenungsund Entmanganungsanlagen Entsäuerungsverfahren Entsäuerung durch physikalische Verfahren Entsäuerung durch Filtration über alkalische Filtermedien EntsäuerungdurchNeutralisationmitLaugen Entcarbonisierungsverfahren Entcarbonisierung durch Säureimpfung Kalkentcarbonisierung Flockung Flockungsmittel (FLOMI) Flockungshilfsmittel (FLOHIMI) Verfahrenstechnik der Flockung Ionenaustausch SkelettstrukturvonIonenaustauschharzen Gleichgewicht Reaktionsgeschwindigkeit Regenerationsarten Kurztaktverfahren KontinuierlicheIonenaustauschverfahren Mischbettfilter Behälterhydraulik Wasser-bzw.Chemikalienverteilung Toträume zwischen Düsen- und Abschlussboden Harztransport Entcarbonisierung mit schwach sauren Kationenaustauschharzen Enthärtungsverfahren Fällungsenthärtung EnthärtungdurchIonenaustausch VollentsalzungdurchIonenaustausch Kondensatreinigungsanlagen Mechanische Filtration ChemischeAufbereitung DekontaminierungradioaktivverseuchterWässer Meerwasserentsalzungsanlagen Elektrodialyse UmgekehrteOsmose Vorreinigungsanlage Umkehrosmoseanlage Mehrstufige Entspannungsverdampfung...245

10 Inhaltsverzeichnis xi 13 Desinfektion Langsamfiltration ThermischeDesinfektion Chlorung Hypochlorite Chlorgas (Cl 2 ) Chlordioxid (ClO 2 ) Chlorelektolyse Ozonisierung UV-Strahlen Silberungsverfahren (Oligodynamie) Wasserstoffperoxid Maßnahmen zur Verringerung der Nitrationenkonzentration im Trinkwasser Ursachen der erhöhten Nitrationenbelastung des Grundwassers Denitrifikation im Grundwasserleiter Technische Reduktion der Nitrationenkonzentration intrinkwasser Wasserwirtschaftliche Maßnahmen PhysikalischeVerfahren ChemischeVerfahren TechnischebiochemischeVerfahren Diskussion einiger Fließbilder verschiedener Anlagenhersteller Schwimmbadwasseraufbereitung Desinfektion Filtration Wassererneuerung Korrosion in Trinkwassersystemen Einführung Korrosionstypen Wasserstoffkorrosionstyp Sauerstoffkorrosionstyp Sauerstoff-Konzentrationselement Schmutzteilchen-Korrosionstyp Korrosionsformen InstationäreKorrosion Erhöhte Korrosion in Warmwassersystemen

11 xii Inhaltsverzeichnis 17 Werkstoffe in der Trinkwasserversorgung Stahl Duktiles Gusseisen Kunststoffe Asbestzement Beton VerzinkterStahl Kupfer Kupferhaltige Werkstoffe Kennwerte für Trinkwasser bei Einsatz verschiedener Werkstoffe Kontaktkorrosion Korrosionsschutz in Trinkwasserversorgungssystemen NatürlicheSchutzschichten Künstliche Schutzüberzüge Korrosionsinhibitoren Härtestabilisierung Kathodischer Schutz Literaturverzeichnis Anhang: Verordnung zur Novellierung der Trinkwasserverordnung Sachverzeichnis...337