Herzlich willkommen! Praktische Lösungsmöglichkeiten für die Verbesserung der Trinkwasserqualität

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1 Herzlich willkommen! Praktische Lösungsmöglichkeiten für die Verbesserung der Trinkwasserqualität 1

2 Inhalt 1. Biofilm - Makroskopisch/Mikroskopisch - Struktur/Entstehung - Bindungskräfte - VBNC - Schutzschicht/Korrosion 2. Trinkwasseraufbereitung - physikalisch - chemisch 3. Spülung und Desinfektion nach W 557 2

3 Wie man hygienischen Probleme beim Bau oder während des Betriebes einer Trinkwasseranlage vermeiden und kontrollieren kann, ist in den entsprechenden Normen, Regelwerken und Merkblättern ausführlich beschrieben: TrinkwV 2. Änderungsverordnung 2012 DIN DINEN DINEN1717 DINEN DIN DVGW-ArbeitsblattW551/W553/W556/W557 VDI 6023 DIN 2001 ZVSHK Merkblätter twin UBA-Empfehlungen 3

4 Grundlage der Hygiene - Biofilme Zahl der Mikroorganismen wird wesentlich beeinflusst durch Temperatur Organische Verunreinigungen/Exogene Einträge Stagnation/Aufenthaltszeit Werkstoffe/Materialien (TRWI) Biofilme Definition Biofilm: Unter einem Biofilm versteht man die Ansiedelung von Mikroorganismen an den Grenzflächen Wasser/festes Medium (Flocken, Filme haftender Zellen). 4

5 Vermehrung: Temperatur Oberflächenstruktur Zugeführte Nährstoffe Stagnation/Strömungsverhältnisse Zeit Vorkommen: Ubiqitär in der Natur Medizinischer Bereich Technische Systeme (Rohrleitungen, Wasserbehälter, Lüftungs-und Klimaanlagen, Kühlkreisläufe ) 5

6 Was hält Biofilme zusammen?? Stark hydratisierte Biopolymere ( Schleime ) mit heterogener Struktur, mikrobieller Ursprung Gel-Matrix aus Extrazellulären Polymeren Substanzen (EPS): Polysaccharide (Zucker), Proteine, Fette (Lipide), Nucleinsäuren, Öle (z.b. Cellulose, Alginat, Dextran, Hyaluronsäure.) Bilder: nach H.-C. Flemming

7 EPS Pseudomonas aeruginosa Bild: nach H.-C.Flemming 2002 Bild: nach H.-C.Flemming % Wasser 1-2 % EPS 1-3% MO ( Zellen/ml). x % Mineralische Phase (Silikate, Phosphate, Sulfate, Calcium-und Magnesium-Carbonate (Kalk), Eisen, Mangan 7

8 Biologische Phase hohe Zelldichte (Informationsaustausch: Signalmoleküle, Gentransfer): Coliforme, Escherichia coli, Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, Amöben, Viren, Pilze, Algen, Wirbellose (Asellus aquaticus, Wasserassel), Eisenbakterien, etc. Bakterien-Alginat: Stabilität durch Ca-Ionen (bei Algen-Alginat noch höher) Bild: nach H.-C.Flemming 2002 Höhere Stabilität (Elastizität steigt) durch Fe(II)-und Fe(III)-Ionen Bsp. Pseudomonas aeruginosa 8

9 Architektur der EPS beeinflusst stattfindende Prozesse Art der MO, Nährstoffbedingungen (Verhältnis C:N:O); Limitierung von P und O/hohe Ionenstärke bedingt vermehrte EPS-Bildung Schleimstränge/Streamer (hoher Fluss): parallele Ausrichtung mit stärkerer Wechselwirkung Proteine, extrazelluläre Enzyme haben Strukturfunktion (Vernetzungsstellen), Abbau von Substanzen Biofilm als Gel, Entlangfliessen an Oberflächen 9

10 Alginat (Rot) Bakterien (Grün): Pseudomonas aeruginosa Bild: nach H.-C.Flemming 2002 Schutz vor ph-extremen Salzbelastungen Hydraulische Belastung/Strömung Toxische Metallionen Biozide(Enzyme) Austrocknung (Wasserrückhaltung) 10

11 VBNC-Stadien Langsamere Wachstumsraten der Bakterien im Biofilm die Bakterien zeigen teilweise einen reduzierten Stoffwechsel bis hin zu Ruhestadien (VBNC viable but not culturable) Reduzierte Stoff-/Giftaufnahme Schutz durch Untätigkeit (Erhaltungsstoffwechsel) Cu-Ionen induzieren einen VBNC-Zustand Chlor, ECA-Chlor- oder Chlordioxid-Dosierung (0,2 mg/l) VBNC-Zustand (vorübergehende Maßnahmen) Anlagendesinfektion: Hinweis auf höhere Wirksamkeit 11

12 Biokorrosion durch Biofilme Durch mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) entstehen jährlich wirtschaftliche Schäden in beträchtlichen Umfang. Der Anteil von MIC an der Gesamtkorrosion (d.h. abiotisch und biotisch verursachter Korrosion) wird auf mindestens 20% geschätzt; er liegt nach neueren Erkenntnissen wahrscheinlich deutlich höher. Oftmals unentdeckt bzw. nicht erkannt Selbst höherlegierte Werkstoffe wie V2A und V4A werden geschädigt. Zusammenspiel biotischer und physiko-chemischer Faktoren 12

13 DVGW W 551 Praktische Lösungsmöglichkeiten - Trinkwasserqualität 13

14 Thermische Desinfektion 70 C, 3 Minuten, überall Abtötungszeiten bis 55 C bis 60 C 70 C min min. 3 min. 14

15 Thermische Desinfektion nach W Erhitzen des gesamten Rohrnetzes auf 70 C für mindestens 3 Minuten - Medium Wasser wird entkeimt - keine Biofilmablösung / Kalkablagerungen - Stabilisierung der Biofilmstrukturen - Werkstoffschädigung (keine Prophylaxe, W 556) - Kosten (Energie)- und zeitaufwendig 15

16 DVGW-Arbeitsblatt W 556(NEU: Gelbdruck) Sanierung von Trinkwasser-Installationen - Allgemeines Vorgehen und mikrobiologische Mängel Die periodische temporäre Temperaturerhöhung im Trinkwassererwärmer inklusive Zirkulationssystem (z.b. Legionellenschaltung oder Legionellenschleuse ) ist gemäß der DVGW-Arbeitsblätter W 551 und W 557 keine thermische Desinfektion und nicht zielführend. Weiterhin kann sie zu einer Schädigung der Werkstoffe führen. BMBF-Verbundprojekt Biofilme in der Trinkwasser-Installation (Biofilm-Centre, Prof. Dr. Hans-Curt Flemming) Thermo-oxidative Maßnahmen zur Anlagendesinfektion führen zu Werkstoffalterung 16

17 Desinfektionsmittel und verfahren (W 556) Es dürfen nur die Desinfektionsverfahren und Stoffe zur Desinfektion eingesetzt werden, die in der Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß 11 der Trinkwasserverordnung aufgelistet sind. Bei der Dosierung von Chlor oder Chlordioxid in der Trinkwasser-Installation sind die geforderten Mindestkonzen- trationen von freiem Chlor bzw. von Chlordioxid einzuhalten. Diese Mindestkonzentrationen müssen spätestens 30 Sekunden nach dem vollen Öffnen der Entnahmestellen im Trinkwasser vorliegen. Die maximal zulässige Zugabe und die zulässige Höchstkonzentration sowie die Konzentrationen der zu beachtenden Reaktionsprodukte dürfen im Trinkwasser unter Berücksichtigung einer etwaigen Dosierung von Desinfektionsmitteln seitens des Wasserversorgers nicht überschritten werden. 17

18 UV-Desinfektion Praktische Lösungsmöglichkeiten - Trinkwasserqualität Grundprinzip Bräunende Strahlung (Bereich UV-A + UV-B) Bereich Bakterienabtötung zwischen nm (UV-C- Bereich) DNS-Absorptionskurve innerhalb UV-C-Bereich 18

19 Grundprinzip der UV- Bestrahlung UV-Strahlen treffen die DNA der Mikroorganismen, hier speziell das Vermehrungszentrum spezielle Bindungen werden aufgebrochen und Zellkern damit geschädigt Vermehrungsfähigkeit geht verloren unterschiedliche Empfindlichkeit der Mikroorganismen gegenüber UV-Licht Raumbestrahlung 400 J/m² (W 294), relevante Dosisgröße für die Inaktivierung von Mikroorganismen Reduzierung um 4 log-stufen 19

20 Aufbau von UV-Geräten Steuerung/EVG Durchfluss- begrenzer Spülventil UV-Lampe + Quarzschutzrohr Druckrohr UV-Sensor 20

21 Einsatzgrenzen UV-Geräte Für alle Anlagen gelten folgende Bedingungen: - Trübung des Wassers <= 1 NTU (Filtration!) - Eisengehalt Fe <= 0,05 mg/l (Belagsbildung!) - Mangangehalt Mn <= 0,02 mg/l (Belagsbildung!) - Betrieb der Anlagen im vorgegebenen Temperaturbereich Wassertemperatur: 5 30 C (auch 70 C!) Umgebungstemperatur: 5 40 C 21

22 Vor- und Nachteile UV Vorteile: - Einfacher Einbau, in neue und bestehende Anlagen integrierbar - Sofortige Keimabtötung - Keine Veränderung der Wasserinhaltsstoffe - Keine Beeinträchtigung von Geruch und Geschmack des Wassers - Keine Korrosionsgefahr durch Zugabe von agressiven Chemikalien - Keine Bildung von problematischen Stoffen (z. B. THM s) - Bedienerfreundlich und wartungsarm wirtschaftlich - Umweltfreundlich - Barriere bei nach den aardt errichteten TRWI / Zirkulation! Nachteile: - Keine Depotwirkung 22

23 DVGW-Arbeitsblatt W 556(NEU: Gelbdruck) Sanierung von Trinkwasser-Installationen - Allgemeines Vorgehen und mikrobiologische Mängel Für die UV-Desinfektion dürfen nur nach DVGW W 294 geprüfte UV-Geräte zum Einsatz kommen. Die UV-Strahlung wirkt nur innerhalb des Bestrahlungsraums. Bei einer mikrobiellen Kontamination der Trinkwasser-Installation ist die UV-Desinfektion nur in Kombination mit anderen Maßnahmen zielführend. 23

24 Eigenschaften von Chlor Eigenschaften - gelbgrünes, sehr giftiges und stechend riechendes Gas - sehr reaktionsfreudig, in Wasser gut löslich Einsatzmöglichkeiten: - Zugabe von Chlorgas - Zugabe von Natriumhypochlorit - Zugabe von Calziumhypochlorit Einsatzbedingungen: - Zulässige Zugabemenge max. 1,2 mg/l freies Cl2 - Höchstkonzentration nach Aufbereitung: 0,1 mg/l < freies Cl2 < 0,3 mg/l 24

25 Vor- und Nachteile von Chlor Vorteile: - Rohrnetzschutz (Depotwirkung) ist vorhanden - sicheres und preiswertes Verfahren Nachteile: - Temperatur- und ph-wert abhängig - geringe Haltbarkeit von NaOCl - Chlor ist sehr giftig - mögliche krebserregende Wirkung durch Bildung von THM s (Trihalogenmethanderivate, Chlorverbindungen) - relativ lange Einwirkdauer 25

26 Chlor -Wirkung Praktische Lösungsmöglichkeiten - Trinkwasserqualität Chlorreagiert nicht nur mit den Wasserinhaltsstoffen, sondern auch mit dem Wasser selbst unter Ausbildung eines chemischen Gleichgewichts Cl 2 + H 2 O HCl + HOCl HOCl H + + OCl - ph-wert 6,8 ca. 80 % HClO ph-wert 8,0 ca. 18 % HClO d. h. hoher ph-wert schlechte Wirkung von Chlor Zustandsformen von Chlor in Wasser Eine 99 % Desinfektion: Restkonzentration von 0,1mg/L Kontaktzeit von mind. 30 min 26

27 Chlordioxid 3 Verfahren zur Herstellung (2 Komponenten): Natriumchlorit (NaClO 2 ) + Salzsäure (HCl) Natriumchlorit (NaClO 2 ) + Chlorgas (Cl 2 ) Natriumchlorit (NaClO 2 ) + Natriumperoxodisulfat Chlordioxid ist ein instabiles Gas - Darf nicht transportiert werden - Mit hoher Wasserlöslichkeit Oxidationskraft ist 2,5 mal höher als von Chlor Geschmacks- und Geruchsneutral (bis ca. 0,3 mg/l) 27

28 Wie wirkt Chlordioxid? Keine Resistenzbildung von Mikroorganismen - Durch irreversible oxidative Eiweißzerstörung Schnelle Keimabtötung bis ph 9,5 mit niedriger Wirkzeit Max. Dosierkonzentration von 0,2 mg/l ClO 2 - Da damit der Chloritgrenzwert als eingehalten gilt Konzentrationsbereich nach Abschluss der Desinfektion - Maximal 0,2 mg/l freies Chlordioxid - Mindestens 0,05 mg/l freies Chlordioxid 28

29 Welche Anlagentechniken sind in diesem Bereich verfügbar GENO -Baktox GENO -BaktoxX/RX/MRX 29

30 Spülung und Desinfektion von Trinkwasser-Installationen laut Regelwerk Regelwerk Trinkwasserverordnung(TrinkwV) DIN EN Spülen von Rohrleitungen DIN EN Desinfektion VDI 6023 Hygiene in Trinkwasser-Installationen ArbeitsblattDVGW W 557 Reinigung und Desinfektion von Trinkwasser- Installationen 30

31 Spülung und Desinfektion von Trinkwasser-Installationen laut Regelwerk Hilfreiche Durchführungshinweise finden Sie im: ZVSHK Kommentarzur2. Änderungsverordnungder Trinkwasserverordnung ZVSHK-Fachinformation Technische Massnahmen zur Einhaltung der Trinkwasserhygiene ZVSHK-Fachinformation Sanierung kontaminierter Trinkwasser-Installationen ZVSHK-Merkblatt Spülen, Desinfizierenund Inbetriebnahmevon Trinkwasser-Installationen ZVSHK-Betriebsanleitung Trinkwasserinstallation 31

32 Spülung und Desinfektion von Trinkwasser-Installationen laut Regelwerk Wasser/Luft-SpülunggemäßW 557 durchführen Mindestfließgeschwindigkeit im größten Rohrabschnitt des Spülabschnittes - 0,5 m/s bei Spülung vor Inbetriebnahme - Bei Sanierungs-Spülungen empfehlen wir mind. 1,5 m/s Die Spüldauer ist vom Austrag der Verunreinigungen abhängig, erkennbar an Trübungen im abfließenden Spülwasser.. 32

33 Spülung und Desinfektion von Trinkwasser-Installationen laut Regelwerk Desinfektionder Installationoderdes Trinkwassers? - Die Anlagen-Desinfektion ist eine abgeschlossene Maßnahme zur Desinfektion einer Trinkwasser- Installation, während dieser dem Verbraucher kein Trinkwasser zur Verfügung steht. - Die Desinfektion des Trinkwassers ist eine vorübergehende Dauerdesinfektion vor und/oder während der technischen Sanierung der Trinkwasser- Installation. Eine Desinfektionsmittelzugabe des Wasserversorgers ist zu berücksichtigen. 33

34 Spülung und Desinfektion von Trinkwasser-Installationen laut Regelwerk Voraussetzungen für eine Anlagendesinfektion - Nur bei den Fällen, bei denen mit der Spülung nicht die notwendige Trinkwasserqualität für die Inbetriebnahme der Trinkwasser-Installation erreicht werden kann, sollten zusätzlich Desinfektionsverfahren eingesetzt werden. Minimierungsgebot der TrinkwV - Gemäß DIN EN dürfen Trinkwasser- Installationen nach der Spülung desinfiziert werden 34

35 Spülung und Desinfektion von Trinkwasser-Installationen laut Regelwerk Voraussetzungen für eine Anlagendesinfektion - Jede Desinfektionsmaßnahme muss gemäß 9 TrinkwV (mit dem zuständigen Gesundheitsamt abgesprochen und von diesem genehmigt werden) - Vor jeder Desinfektionsmaßnahme ist gemäß W 557 eine Wasser-/Luft- Spülung notwendig, um Ablagerungen und andere Feststoffpartikel mechanisch zu entfernen. 35

36 Desinfektionsmittel Zur Anlagendesinfektion gemäß W Bewährte Desinfektionschemikalien - Natriumhypochlorit NaOCl GENO -Chlor A - Chlordioxid ClO2 GENO -Baktox - Wasserstoffperoxid H2O2 GENO -perox Empfehlung zur Anlagendesinfektion GENO -perox wurden Pseudomonasaeruginosa festgestellt sollte danachzusätzlich mit GENO -Baktox desinfiziert werden. 36

37 Dosieranlagen zur Anlagendesinfektion Dosieranlage MOBIdos Zur Dosierung von - GENO -perox - GENO -Baktox - GENO -Chlor A aus 3-, 10- und 20-Liter Liefergebinden 37

38 Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) Praktische Lösungsmöglichkeiten - Trinkwasserqualität Universelle Verwendbarkeit. Biofilmablösung wissenschaftlich nachgewiesen (s. Nachweis, TU München)! Wirkung ist ph- und temperaturunabhängig! Gute Dosierbarkeit und Kontrolle (Ausspülen) Heftige Reaktion mit Organik und Fe-Ionen!! Halbquantitative Bestimmung (Teststreifen) gute Lagerfähigkeit 38

39 Nachweis von Biofilmablösung * Zugabe von 200 mg L -1 H 2 O 2 bei t = 0 Abschälen großer, zusammenhängender Biofilmbereiche durch Einwirkung von Wasserstoffperoxid. Aufbrechen der Biofilmstrukturen, Reaktion mit Korrosionsprodukten (Fe) * Dr. Christoph Haisch, TUM, IWC 39

40 H H = Wasserstoff O = Sauerstoff Ansicht B Quelle: Herlisil GmbH gespannte Molekülstruktur, ungleiche Bindungen Sauerstoff nur einwertig -(Radikal) zerfällt spontan in Wasser und Sauerstoff 40

41 FENTON-Reaktion Praktische Lösungsmöglichkeiten - Trinkwasserqualität Katalysierte Oxidation von organischen Substanzen durch Eisen(II), Cu(I) (physiologische Reduktionsmittel) in biologischen Systemen Hauptquelle der reaktiven Sauerstoffspezies, ROS in der Zelle; oxidativer Stress, Zerstörung von Zellstrukturen) starkes Oxidationsmittel, Bsp. Aufarbeitung von Abwässern und Sickerwässern aus Deponien (Redoxpotentialähnlich wie Flour!) 41

42 FENTON-Haber-Weiss-Reaktion Praktische Lösungsmöglichkeiten - Trinkwasserqualität 1. Schritt. Fe III + O 2 - Fe II + O 2 2. Schritt: Fenton-Reaktion Langlebige ROS O 2- und/oder H 2 O 2 schädigen die Zelle am Entstehungsort und diffundieren in andere Zellen. Sie generieren aggressivere Radikale wie OH, die dann wichtige Zellstrukturen oxidieren können (reagieren mit fast jeder Art an Molekülen und Molekülstrukturen). Biofilm:H 2 O 2 -Abbau durch Katalase (Enzyme) möglich, Reparatursysteme 42

43 Zusammenfassung Anlagendesinfektion (Spülung und Desinfektion!): Kombinationsverfahren H 2 O 2 + ClO 2 sinnvoll (Biofilmstruktur!) H 2 O 2 : effektive Zerstörung der Biofilmstruktur (Fe- Ionen, Reaktion mit Korrosionsablagerungen) Trinkwasserdesinfektion: Periodische thermische Desinfektion nicht sinnvoll (W 556) UV-Desinfektion (auch Zirkulation), ClO 2 - Desinfektion als vorübergehende Maßnahme (VBNC) 43

44 Wasser ist unsere Leidenschaft! 44