Warum Überarbeitung der DIN 19643?

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1 DVGW Fortbildungsveranstaltung München, und Dresden, Die novellierte DIN Neuerung im Bereich der Aufbereitung von Schwimmbeckenwasser Referent: Dr. Klaus Hagen VWS Deutschland GmbH Krüger WABAG Chr.-Ritter-v.-Langheinrich-Str Bayreuth Tel Fax Mobil: klaus.hagen@veoliawater.com

2 Warum Überarbeitung der DIN 19643? Aktuelle Fassung aus dem Jahre 1997 ca. 14 Jahre alt Revision sollte alle 5 Jahre geprüft werden DIN ist allgemein anerkannte Regel der Technik Aber wie ist der Stand der Technik? Normierungsantrag für die Ultrafiltration Neues Verfahren zur Reinigung des Wassers Seit einigen Jahren im Trinkwasser-Bereich etabliert Hohe Barrieren für Mikroorganismen inkl. Viren Normierungsanträge während der laufenden Beratung Einsatz von UV-Technologien zur Entkeimung und Abbau von Desinfektionsnebenprodukten Ozon-Brom-Verfahren anstelle der Chlorung TOC-Messung anstelle von KMnO 4 -Verbrauch 2

3 Teil 2 alt: Adsorption Flockung Filtration Chlorung Becken Belastbarkeitsfaktor: k = 0,5 /m³ = 2 m³/pers. Chlor Chlorkonzentration im Becken: 0,3 bis 0,6 mg/l Rohwasserspeicher optional PAK FM Ein- bzw. Mehrschichtfilter

4 Teil 5 alt: Flockung Filtration Sorptionsfiltration Chlorung Chlor Chlorkonzentration im Becken: 0,3 bis 0,6 mg/l Becken Rohwasserspeicher Belastbarkeitsfaktor: k = 0,5 /m³ = 2 m³/pers. FM Sorptionsfilter Korn-Aktivkohle Redox-Spannung im Filtrat > 650 mv (ansonsten Chlorung des Rohwassers) Ein- bzw. Mehrschichtfilter

5 Teil 2 neu: Varianten Becken Belastbarkeitsfaktor: k = 0,5 /m³ = 2 m³/pers. Chlor Chlorkonzentration im Becken: 0,3 bis 0,6 mg/l Rohwasserspeicher PAK Variante 1 Variante 2 optional FM FM Ein- bzw. Mehrschichtfilter Ein- bzw. Mehrschichtfilter mit adsorptiver Filterschicht (H-Kohle)

6 Teil 2 neu: Varianten Chlorkonzentration im Becken: 0,3 bis 0,6 mg/l Becken Belastbarkeitsfaktor: k = 0,5 /m³ = 2 m³/pers. Chlor (Optional) PAK Variante 4 Variante 3 FM FM UV-Strahler Rohwasserspeicher Sorptionsfilter Korn- Aktivkohle

7 Teil 2 neu: Varianten Chlorkonzentration im Becken: 0,3 bis 0,6 mg/l Becken Belastbarkeitsfaktor: k = 0,5 /m³ = 2 m³/pers. Chlor Variante 4 Variante 3 Rohwasserspeicher Variante 1 Variante 2 PAK PAK FM FM FM (optional) FM

8 Änderungen DIN Teil 2 Aufnahme von Polyaluminiumchloride (Basizität 65 %) zur Flockung Säurekapazität muss dann 0,3mmol/l sein Filtrationsgeschwindigkeit 30 m/h Auch bei Sole mit 6% Salzgehalt Vermeidung von Auskolkungen Maximale Verwerfungen von 5 cm/m Filtermaterial, max. 10 cm Verfahrensanforderungen für Anschwemmfiltration (DIN 19624) Spülung des Sorptionsfilters mit Desinfektionsmittel Min. 1 mg/l freies Chlor (bzw. 0,6 mg/l Chlrodioxid) Monatlich einmal mit 5 mg/l freies Chlor (bzw. 3 mg/l Chlordioxid) UV-Mitteldruckstrahler J/m 2 bei 254 nm (THM Problematik)

9 DIN Teil 3 Verfahrenskombinationen mit Ozon Zusammenfassung aller bisherigen Verfahren mit Ozon-Einsatz in einem Normenteil Flockung Filtration Ozonung Sorptionsfiltration Chlorung Flockung Ozonung Mehrschichtfiltration mit Sorptionswirkung Chlorung

10 Teil 3 neu: Flockung Filtration Ozonung - Sorptionsfiltration Chlorung Chlor Chlorkonzentration im Becken: 0,2 bis 0,5 mg/l Becken Rohwasserspeicher Belastbarkeitsfaktor: k = 0,6 /m³ = 1,7 m³/pers. FM Sorptionsfilter Korn-Aktivkohle O 3 Ein-Schichtfilter

11 Teil 3 neu: Flockung Filtration Ozonung - Sorptionsfiltration Chlorung Chlor Chlorkonzentration im Becken: 0,2 bis 0,5 mg/l Becken Rohwasserspeicher Belastbarkeitsfaktor: k = 0,6 /m³ = 1,7 m³/pers. FM Mehr- Schichtfilter O 3

12 DIN Teil 3 Weitere Änderungen Verzicht auf Flockung bei Einsatz von Ozon möglich (Mikroflockenbildung) Auskolbungen max. 5 cm / 1 m Filtermaterial, max. 10 cm (wie Teil 2) Betrieb von Ozon ohne A-Kohle nicht zulässig angepasste Filterbestückungen möglich (z. B. 0,4 0,8 mm Sand, 0,6 1,6 mm Anthrazit mit SH > 0,4 m)

13 Beckenwasseraufbereitung mit Ultrafiltration Chlor Becken TW Volumenstrom 50 % PAK FM Spülung Ultrafiltration Vorfilter Schlammwasseraufbereitung Rohwasserspeicher Ultrafiltration optional Kanal 13

14 NEU: - Korngruppe 1,0 bis 1,6 mm - Grenze Salzgehalt früher mg/l - Filtergeschwindigkeiten geschlossener Schnellfilter < 30 m/h statt bisher < 20 m/h - > 6 % Salzgehalt Filtergeschw. / FM-Zugabe / -Typ expenmentell ermitteln

15 NEU: Tabelle übersichtlicher

16 NEU: - Salzgehalt wie vorne - Schichthöhen Sand / obere Schicht je > 0,4 m

17 NEU: keine definierte Angabe von Geschwindigkeiten

18 NEU: - 1. Wasserspülung ist entfallen - Wasserspülung m/h statt bisher 50 oder m/h (abh. bisher von der Temperatur)

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20 NEU: - übersichtlicher - Freibord 40 % statt bisher 30 % und dann 0,2 m statt bisher 0,3 m

21 NEU: - Filterbettausdehnung von > 40 % - Desinfektion

22 Richtwerte für die Wasserspülung von Sorptionsfiltern mit Kornaktivkohle am Beispiel der Korngruppe 1,4 mm bis 2,5 mm NEU: - Spülgeschwindigkeit Wasser m/h statt bisher m/h

23 NEU: - Halbwertslänge für Chlor < 10 cm statt bisher < 7 cm - Freibord > 40 % der SH + 0,2 m statt bisher > 30 % und 0,3 m - Gesamtoberfläche (BET) > 900 m²/g statt früher > 950 m²/g

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27 Membranverfahren Wirkungsweise Eine Membran stellt eine Barriere zwischen zwei flüssigen Fraktionen dar Die Membran ist nur für einen Teil der Inhaltsstoffe bzw. das Lösungsmittels permeabel Durch aufbringen einer treibenden Kraft werden Fraktionen über die Membran transportiert bis sich ein Gleichgewicht einstellt Im allgemeinen arbeiten die Membranverfahren mit Überströmung parallel zur Membran um abgelagerte Verunreinigungen abzutransportieren Triebkräfte Transmembranes Druckgefälle (MF, UF, NF, RO) Elektromagnetisches Feld (ED) Feed Verunreinigung Konzentrat Druckdifferenz Wasser Permeat

28 Membranverfahren und Partikelgrößen

29 Membranverfahren und Partikelgrößen Cryptosporidium: 4-6 µm Membrane Porengröße ca. 0,01 µm

30 Kapillarmembran Asymmetrische Composit- Membran - Innen: aktive Filtrationsschicht aus PES (roter Pfeil) - Außen: breite, poröse Stützschicht aus Kunststoff

31 Kapillarmembran Membran-Modul ca Kapillarmembranen werden in einem Membranmodul zusammengefasst und an den Enden in einen Harzblock eingegossen

32 Betriebsweise Filtration und Spülung

33 Crossflow Dead-End Ein Teilstrom wird rezirkuliert Hoher Energieverbrauch und apparativer Aufwand durch zusätzliche Rezirkulationspumpe Das gesamte Zulaufwasser wird durch die Membrane gepresst Geringer Energieverbrauch

34 Wichtige Punkte Teil 4 (I) - k-wert 1,0 (Untersuchungen VWS im HB Mengkofen durch Prof. Uhl, TU Dresden - PAK-Dosierung 0,5 3 mg/l, Korngrößenverteilung Korngrößenanteil [mm] > 0,05 < 0,005 Massenanteil der Siebfraktion [%] < 5 < 5 - Aktivkohlefilter nur vor UF zulässig z. B. auch als Schutzfilter, v < 100 m/h - Spülungen mit / ohne Chemikalienzugabe, chem. Reinigung

35 Wichtige Punkte Teil 4 (II) - Anlagendimensionierung: Filtrationsflux l/m² x h Spülungsflux l/m² x h - Anlagenbetrieb: Unterbrechung während des Badebetriebes für max. 2 min. für Spülungen zulässig - Fahrweise: üblicherweise aus energetischen Gründen Dead End

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39 Qualitätsanforderungen an die Membranmodule Das Virenrückhaltevermögen des Membranmodultyps muss > 99,99 % betragen. Der Nachweis muss mit MS2 Coliphagen durch ein unabhängiges, dafür qualifiziertes Institut erfolgen. Um sicherzustellen, dass das Messergebnis auf alle relevanten Wasserqualitäten übertragbar ist, muss die Messung mit weitgehend DOC-freiem (< 0,5 mg/l) und partikelfreiem Wasser sowie neutralem ph-wert durchgeführt werden. Die Werkstoffe der Membranen müssen nach den jeweiligen Einsatzbedingungen ausgewählt werden. Die Möglichkeit der Desinfektion mit > 50 mg/l freiem Chlor muss bei der UF gegeben sein. Die langfristige Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen (üblicherweise ph 2 bis ph 12) ist zu beachten (siehe auch DVGW W 213-5). Alle Werkstoffe des Membranmoduls (Dichtungen, Rohre, Kapillarmembranen usw.) müssen den Anforderungen nach 6.4 und der Leitlinie zur hygienischen Beurteilung von organischen Materialien im Kontakt mit Trinkwasser (KTW-Leitlinie) entsprechen. Dies steht dafür, dass keine Stoffe aus dem Modul an das Wasser abgegeben werden. Der Modulhersteller muss eine mindestens zweijährige Garantie gegen Kapillarbrüche übernehmen (höchstens ein Kapillarbruch je Jahr und Modul im Mittel aller Elemente der Gesamtanlage). Sind mehr als 1 % der Fasern eines Moduls defekt, sollte das Modul ausgetauscht werden. Die Temperatur- und Druckbeständigkeit der Membranmodule im Dauerbetrieb muss sichergestellt sein (< 40 C, < 5 bar). Der Berstdruck der Fasern im Modul muss > 10 bar sein.

40 Konventionelle Filtertechnik Min. Raumhöhe 4,0 m Großer Platzbedarf Technikraum erforderlich Große Einbringöffnung erforderlich Kein garantierter Keimrückhalt Ultrafiltration Raumhöhe ca. 2,0 m Geringerer Platzbedarf (bis zu 50 % weniger) Aufstellung im Beckenumgang möglich Türbreite 80 cm ausreichend Absolut keimfreies Wasser

41 Konventionelle Filtertechnik Filterverkeimungen möglich Spülung außerhalb der Badezeit Spülwasserbevorratung (ca. 6 m³/m²) Großer Aufbereitungsvolumenstrom Große Kanalleitung oder Speicher Ca. 150 Partikel/ml Ultrafiltration Filterverkeimung unmöglich Spülung während des Betriebes Kein Vorrat, Spülung aus laufenden Filtrat (kleiner 1 m³) Nur 50 % des DIN- Volumenstroms Kleine Kanalleitung < DN 125 Ca. 1 Partikel/ml im Filtrat Problemloser Ersatz von Altanlagen

42 Haupteinsatzbereiche von Ultrafiltrationsanlagen in der Schwimmbadtechnik Lehrschwimmbecken, Bewegungsbecken und Warmsprudelbecken Therapiebecken gegenüber der Wasseraufbereitung mit Ozonstufen günstiger in Anschaffung und Unterhalt Sanierungen mit geringem Platzangebot bzw. eingeschränkten Zugangsmöglichkeiten Neubauten mit geringem Platzangebot bzw. eingeschränkten Zugangsmöglichkeiten

43 Ultrafiltration zur Trinkwasseraufbereitung, WW Roetgen, Leistung: m 3 /h

44 Krüger WABAG - UF-Anlage Bad Birnbach

45 Ultrafiltration im Schwimmbadbereich (480 m³/h), La Ola, Landau

46 Einsatz von UV bei der Schwimmbeckenwasseraufbereitung Quelle: Figawa

47 Was ist UV-Licht? Wellenlänge [m] (m) Kurzwelle Radio Fernseher FM Radar unsichtbar Infrarot Rot Orange Wellenlänge [nm] Gelb Grün Blau Indigo Violett Sichtbares Licht 10-6 Sichtbares licht 10-8 unsichtbar Ultraviolett γ-rays x-rays UVA Blacklight nm UVB Bräunung nm UVC Desinfektion (315) nm UV-Vakuum nm Ultraviolett Cosmic-rays 100

48 Niederdruckstrahler 160% 140% Spektraldaten Niederdruckstrahler Spektral Leistung 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Wellenlänge [nm] Hauptemissionslineliegt bei ND Strahlern bei 253,7 nm, nur geringe Anteile an UVB, UVA, VIS.

49 Wellenlänge Nieder- und Mitteldruckstrahler Niederdruckstrahler Strahlungsemission fast nur bei 253,7 nm: DNS absorbiert ND-UV-Licht effektiv dadurch niedriger Energiebedarf zur Inaktivierung von Keimen. Mitteldruckstrahler Emission zwischen 180 und 280 nm: UV wird absorbiert durch DNS, Proteine, Enzyme, Zellenwand und Membranen bei hoher Energie MD-UV-Strahler mit hoher Energiedichte und Breitbandemissionsspektrum, dadurch zur Bestrahlung großer Wasserdurchflüsse bei kompakten Abmessungen und für photochemische Umwandlungen geeignet.

50 UV-Anlagen im Schwimmbad nach DIN UV-Bestrahlung im Schwimmbad nur nach der Filtration und vor der Chlorung + bestmögliche Wasserqualität am Ort der UV Behandlung, + sinnvoll einsetzbar bei allen Verfahrenskombinationen nach DIN ausser bei Ozonung + positiver Nebeneffekt der UV-Bestrahlung: Inaktivierung von Keimen aus der Filteranlage UV Anforderungen: Fluenz I => 600 J/m² Empfehlung Wellenlänge Λ > 200 nm obligatorisch Einschränkung: - Keine Reduzierung von THM möglich

51 Wie entstehen Chloramine? Ammonium und Harnstoff reagieren mit Chlor zu Chloraminen Abhängig von ph-wert und Chlorgehalt entsteht im Schwimmbad Mono-, Dioder Trichloramin Hauptreaktion NH HClO NH 2 Cl + H 2 O + H + Ammonium unterchlorige Mono- Wasser Wasser- Säure chloramin stoffion Folgereaktion NH 2 Cl + HClO NHCl 2 + H 2 O Mono- unterchlorige Dichlor- Wasser chloramin Säure amin Trichloramin- Reaktion??? NHCl 2 + HClO NCl 3 + H 2 O Dichlor- unterchlorige Trichlor- Wasser amin Säure amin

52 Trichloraminentstehung -1- NHCl 2 + HClO NCl 3 + H 2 O??? Ja, aber nur bei ph <= Total bound chlorine (%) 80 Monochloramine Dichloramine Trichloramine ph

53 Trichloraminentstehung -2- Wie kann NCl 3 im Beckenwasser bei neutralen ph-werten auftreten? H2N NH2 Cl2N NCl2 C + 4 HClO => + 4 H2O C O O Urea Hypochloric acid Urea tetrachloride water Fig. 6: Bildung von Tetrachlorharnstoff als Vorläufersubstanz für die Trichloraminbildung Ref.: Stottmeister / Voigt 2006 Die Umsetzungvon HarnstoffmiteinemÜberschussan Hypochloriger SäureHClO führtzurbildungvon Tetrachlorharnstoff. TetrachlorharnstoffisteineVorläufersubstanzfürdie NCl 3 BildungimneutralenpH-Wertebereichim Schwimmbeckenwasser. Ref: Stottmeister, Voigt (2006) Trichloramine in the air of indoor swimmingpools

54 Trichloraminentstehung -3- Wie kann NCl 3 im Beckenwasser bei neutralen ph-werten auftreten? Cl2N NCl2 Cl Cl C + 2 HClO => CO N + H 2 O O Cl Urea tetrachloride HypochloricAcid Carbon dioxide Trichloramine water Fig. 7: Bildung von Trichloramin von Tetrachlorharnstoff im neutralen ph-bereich Die fortgesetzte Chlorung von Tetrachlorharnstoff führt zur Bildung von Trichloramin Bei hohem Überschuß an Chlor erfolgt die Bildung von Trichloramin aus Tetrachlorharnstoff.

55 Was bedeuten Chloramine im Schwimmbad? Belästigungen durch typischen Schwimmbadgeruch Wirkt reizend auf Schleimhäute in Hals-Nasen-Ohren-Bereich Wirkt reizend auf Augen (Rötung) Indikator für schlechte Funktion der Schwimmbeckenwasser-Aufbereitung - z.b. ungenügende Flockung, - Erschöpfung von Adsorbermaterial, - ungenügende UV-Fluenz, - Zugabe Pulverkohle ungenügend oder zur falschen Zeit -. bzw. Hinweis auf ungenügende Frischwassernachspeisung

56 Möglichkeiten der Chloramin-Reduktion? Eliminierung von gebundenem Chlor aus der Umwälzung: Pulver-Aktivkohle-Dosierung Filter mit Korn-Aktivkohle-Auflage Filter mit Auflage von Anthrazit-H (Braunkohlekoks) Reduzierung von gebundenem Chlor aus der Umwälzung: Verdünnung mit Füllwasser Teilstrom-Ozonung UV-Bestrahlung mit Mitteldruck-Strahlern

57 Verfahrensprinzip - In-line Elektrolyse Bei der inline-elektrolyse wird das Desinfektionsmittel direkt im Wasserstrom aus enthaltenen Chloridionen erzeugt Anode und Kathode befinden sich direkt im zubehandelnden Wasserstrom Keine Verwendung von Salzsole Ob kontinuierliche Zudosierung von Salz zum zubehandelnden Wasserstrom unter inline Elektrolyse fällt, ist strittig

58 Verfahrensprinzip - Kathodenreaktion: 2 H 2 O + 2e - H OH - Folgereaktion: Cl OH - OCl - + Cl - + H 2 O + Anodenreaktion: 2 Cl - Cl e -

59 Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren Konventionelle Verfahren: Chlorgas, Hypochloritlösung, onsite Rohr- und Membranzellenelektrolysen Keine zusätzlichen Chemikalien/Salz notwendig Kein Salzschlupf wie bei onsite Elektrolysen Kein Transport und Lagerung von Chlorgas / Hypochloritgranulat oder lösung Geringeres Gefahrenpotential Weniger Bedienungs- und Wartungsbedarf Erzeugung des Desinfektionsmittels nach Bedarf genauere Dosierung und kein Aktivitätsverlust durch Lagerung

60 Anwendungen Großtechnisch: Ballastwasseraufbereitung von Süß- und Meerwasser auf Schiffen, 50 bis > m³/h Industriell: Lebensmittel- und Getränkeindustrie insbesondere für CIP, Kühlwasser Kommunal: Schwimmbadwasser, Abwasserbehandlung insbesondere in US Für Trinkwasseraufbereitung in D derzeit nicht zugelassen (bisher keine Aufnahme in 11 TrinkwV)

61 Ergebnisse des DVGW / DBU-Forschungsvorhaben Inline Elektrolyse zur Desinfektion von Trinkwasser Anlagen mit Mischoxidelektroden erzeugen nur freies Chlor Keine Grenz- und Richtwertüberschreitung Chlorit und Perchlorat werden nicht gebildet Chloratgehalt nimmt innerhalb Laufzeit zu, liegt jedoch unter praxisrelevanten Bedingungen unterhalb 200 µg/l Bromat nur bei vergleichsweise hohen Bromid- und Chloridausgangskonzentrationen gebildet Keine Gentoxizität nachgewiesen Wirksamkeit der Anlagen am UBA-Teststand in Berlin nachgewiesen Prüfgrundlage für erweiterte Wirksamkeitsprüfung in Vorbereitung

62 Chlorelektrolyse im Inline-Betrieb Becken TW FM PAK Rohwasserspeicher 62

63 Chlorelektrolyse im Inline-Betrieb 2 Cl - - 2e - Cl 2 NaCl + H 2 O NaOCl + H 2 2 H + + 2e - H 2 Kochsalzlösung Chlorhaltige Lösung Technopool Salt water light -Verfahren Meerwasser Verdünnte Natursole Sole aus Siede- oder Feinsalz Solekonzentration min. 2 g/l 63

64 Chlorelektrolyse im Inline-Betrieb Chloridkonzentration von mehr als 1200 mg/l im Beckenwasser erforderlich, entspricht einem Salzgehalt als NaCl von mehr als 2000 mg/l. technische Anforderungen in Bezug auf z. B. Filtergeschwindigkeit oder erhöhte Korrosivität sind einzuhalten An der Kathode kann es zu Kalkausfällungen kommen, die durch geeignete Reinigung regelmäßig zu entfernen sind Durch ausreichende Zufuhr von Außenluft ist sicherzustellen, dass sich in Betriebsräumen und im Schwimmhallenbereich kein zündfähiges Gemisch bilden kann und der entstehende Wasserstoff gefahrlos ins Freie entsorgt wird Der Wasserdurchfluss der Elektrolysezelle muss von einem Strömungswächter überwacht werden, welcher bei fehlendem Durchfluss die Anlage ausschaltet Die Steuerung/Regelung der Desinfektionsmittel-Erzeugung bzw. -Zugabe erfolgt durch Regelung des Zellstroms. Für jedes Becken muss eine separate Elektrolyseeinheit eingesetzt werden. Bei Messwertgebern müssen wegen des entstehenden Wasserstoffes geeignete Elektroden verwendet werden (z.b. aus Gold). 64

65 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! VWS Deutschland GmbH - Standort Bayreuth - Dr. Klaus Hagen Tel.: 0921/ Fax: 0921/ Mobil: klaus.hagen@veoliawater.com