WAT-formiert

Inhalte des Moduls: Wassertechnik Bereitstellung einwandfreien Trinkwassers Bereitstellung von Brauchwasser für die Industrie Weitere Wassernutzungen: z.B. Kühlung von Industrieanlagen Abwassertechnik Schutz der aquatischen Umwelt durch Reinigung des Abwassers ° Möglichkeiten des Rückhalts und des Abbaus von neuen Schadstoffen ° Möglichkeiten der Abwasserverwertung

Struktur des Moduls Mechanische Wasseraufbereitung Einführung in die Phasenseparation, Fällung, Flockung, Filtration, Flotation, Membrantechnik Chemische Wasseraufbereitung Grundlage, Entsäuerung, Enthärtung, Entcarbonisierung, Entsalzung, Enteisenung, Entmanganung Lerneinheiten/Vorlesungen (Köster) Biologie der Abwasserreinigung & Stickstoffelimination Bemessung von Belebungsanlagen « Grundlagen « Bemessung nach A131 Sonderverfahren der Abwasserreinigung ° Mehrstufige Verfahren, SBR, MBR, Filter « Biofilmverfahren, « (Biologische) Sonderverfahren der Stickstoff- und Phosphorelimination « Abwasserdesinfektion Schlammanfall, -stabilisierung und -verwertung Übungen (Lehrstuhl ISAH) Beispielanwendung A131 Sonderverfahren der Abwasserreinigung Weitergehende Abwasserreinigung & Schlammbehandlung

Rohwasserarten: Grundwasser: natürlich gebildetes Grundwasser, Uferfiltrat, angereichertes Grundwasser, Quellwasser, Oberflächenwasser: Flusswasser, Seen- und Talsperrenwasser, Meerwasser

Warum Trinkwasseraufbereitung? dient der Anpassung von Rohwasser an die Anforderungen der Trinkwasser- und Nutzwassernutzung (Brauchwasser, Prozesswasser). Sie umfasst im Wesentlichen zwei Gruppen der Behandlung: « Entfernung von Stoffen aus dem Wasser (z. B. Reinigung, Sterilisation, Enteisenung, Enthärtung, Entsalzung). « Ergänzung von Stoffen sowie Einstellen von Parametern des Wassers (z. B. Dosierung, Einstellung von pH-Wert, gelösten Ionen und der Leitfähigkeit). Zugehörige/inkludierte Ansätze und Aufgaben sind: " die Aufbereitung für die Öffentliche Trinkwasserversorgung möglichst „naturnah” zu gestalten, « die Bereitstellung von Löschwasser = und der Schutz vor Korrosionen

Typische Aufbereitungskonfiguration
Vorreinigung (Rechen, Sieb) -> Rückhalt (suspendierter) Feststoffe (Flockung, Flockungshilfsmittel) (Schnellfiltration, Sedimentation, Flotation) -> Entsäuerung (Chemische Entsäuerung (Jurakalk, dolom. Materialien)), (Mechanische Entsäuerung (Gasaustausch)) -> Rückhalt gelöster Stoffe (Fällung und Filtration (Oxidation, Enthärtung)), (Direkter Rückhalt (autokatalytischer Rückhalt von Eisen und Mangan)) -> Desinfektion (Chemische Desinfektion (Chlorgas, Chlordioxid)), (UV-Bestrahlung) -> Trinkwasser

Aufbereitung von Grundwasser Vertikalfilterbrunnen zur Wassergewinnung -> (Enteisenung, Entmanganung und Entsäuerung) durch Oxidation, Gasaustausch (z.B. Verdüsung) -> und Schnellfiltration -> Entsalzung -> pH-Wert-Anpassung, Desinfektion -> Verteilung

Aufbereitung von Talsperrenwasser Trinkwassertalsperre -> Mikrosieb -> Mechanische Reinigung: Rückhalt ungelöster Stoffe [Zugabe von Flockungsmittel und Flockungshilfsmittel -> Reaktionsbecken -> Schnellfiltration (mehrschichtig)] -> Rückhalt gelöster Stoffe [Enteisenung, Entmanganung] -> Einstellung der korrosions-chemischen Eigenschaften und u.U. Aufhärtung [Entsäuerung] -> Desinfektion ->

Aufgaben in der Trinkwasseraufbereitung - durch best. Verfahren Stoffentfernung:

• Entfernung partikulärer Stoffe durch Flockung, Schnellfiltration, Membranfiltration
• Entfernung gelöster Stoffe: o Eisen und Mangan durch Filterverfahren/unterirdische Verfahren o Organische Stoffe durch Entgasung Einstellung der Wasserqualität:
• Entsäuerung & Stabilisierung durch Filter: Kalk/halbgebr. Dolomit; Strippung
• Enthärtung durch Ionenaustausch, Entcarbonisierung Hygienisierung:
• Desinfektion durch Chlorbasierte Verfahren, UV-Bestrahlung, Ozon

Gesetze zur Trinkwasserversorgung EUROPA

• EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU WRRL)
• EU-Trinkwasserrichtlinie (RiLi 98/83/EG über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch) DEUTSCHLAND
• Wasserhaushaltsgesetz (WHG)
• Infektionsschutzgesetz (IfSG)
• Trinkwasserverordnung (TrinkwV) ->Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch NIEDERSACHSEN -Niedersächsisches Wassergesetz (NWG)

Ziele der mechan. Wasseraufbereitung Abtrennung von ungelösten Stoffen, von grob zu fein:

1. Entfernen von groben Stoffen und Faserstoffen, Kunststoffen
2. Entfernung von mineralischen Bestandteilen und hier insbesondere Sand
3. Entfernen von Schwimmstoffen, Fetten, Ölen
4. Entfernung von partikulären Stoffen in Abhängigkeit von ihren Stoff- und Absetzeigenschaften

Grundsätzliche Unterscheidung, mechan. Wasseraufbereitung -Abtrennung an der Oberfläche, Von grob zu fein: Rechen, Sieb, Membran, Tuchfilter, Langsamsandfilter -Abtrennung im Raum, Von grob zu fein: Absetzbecken, Flotationsanlage, Raumfilter

Verfahren der mechanischen Aufbereitung, Entfernung von Stoffen aus dem Wasser mittels: -Rechen Durch Grob- und Feinrechen werden zunächst die Schwimmstoffe entfern. Stababstände:

• Grobrechen 30 bis 100 mm;
• Feinrechen 2 bis 10 mm

Verfahren der mechanischen Aufbereitung, Entfernung von Stoffen aus dem Wasser mittels: -Sieben Siebe (z.B. Trommel- oder Bandsieb) haben Maschenweiten von 10 bis 100µm Bei Mikrosieben beträgt die Maschenweite 0,02 bis 10 µm (z.B. Algen)

Verfahren der mechanischen Aufbereitung, Entfernung von Stoffen aus dem Wasser mittels: -Rechen -Siebe -Sedimentation -Filtration -Flotation -Membrantechnik (drücken, saugen) -Fällung -Flockung

Absetzverfahren Die im Wasser befindlichen Partikel/Schwebstoffe sollen sedimentieren. Es gibt unterschiedliche Bauformen: horizontal oder vertikal durchflossen. Becken werden als Rund oder Längsbecken gebaut. Die Absetzfläche kann durch Parallelplattenabscheider (Lamellen) vergrößert werden. Vorgangsbeschreibung: (Im Absetzbecken fließt durch den Zulauf Abwasser hinein. Der Räumer bewegt Schlamm langsam nach unten in den Schlammtrichter, wo ein Schlammabzug vorhanden ist. Oben, geschützt durch eine Tauchwand (Schlammschutz), Ist ein Ablauf für das „gereinigte“ Wasser. Im Becken herrscht keine Turbulenz, sondern laminare Strömung und gleichmäßige Strömungsbedingungen.) Typ. Werte: Oberflächenbeschickung qA=1-2m/h       Aufenhaltszeit =1,5-2,5 h

Die Oberflächenbeschickung qA

• ist ein sehr wichtiger Auslegungsparameter für Absetzbecken.
• Es stellt sicher, dass die Absetzbecken so ausgelegt werden, dass der Sedimentationsprozess dort tatsächlich stattfinden kann. = eine Geschwindigkeit.

Absetzbecken mit Schrägklärer und pulsierendem Schwebebett

• Rohwasserzulauf (oben)
• Unterdruckkammer für die Pulsation
• Rohwasserverteilung (unten)
• Platten mit Querrippen (schräg von unten nach oben)
• Klarwasserabzug (oben) -> Vergrößerung der wirksamen Absetzflächen -> Verringerung der Sedimentationstrecke Opt. Becken: lange Überlaufkante für ruhige Hydraulik im Becken. Zackenwehr gegen Windlast für gleichmäßige Last über Ablauf, Kreisrund für geringeres qA=Q/A‘ mit größer werdenen A‘

Sandfang: Einsatz: schnell fließende Flüsse, Sand, führende Quellen, denn Flusswasser hat hohen Anteil an Schwebstoffen Ziel: Rückhalt von mineralischen Stoffen mit d > 0,2 mm (Sand setzt sich unten in Sandrinne ab.) Bemessung: Oberflächenbeschickung qA, Fließgeschwindigkeit Reinigung: Ausräumen von Hand, Schildräumer, Pumpen

Flotation: Umkehrung des Absetzprozesses

• Zulauf unten ins Becken, Schwebstoffe werden durch Gas an Oberfläche gebracht,
• Es bildet sich ein Flotatschlamm, der durch einen Räumer entfernt wird.
• Der Ablauf des Klarwassers ist unten (Meerwasserentsalzungsanlage (Druckentspannung), Blähschlamm (im Winter, Fadenbakterien), oben genannte Tauchwand gegen Blähschlamm bei Sedimentationsbecken)

Stoffe / Partikel im Wasser -Absetzbare Feststoffe (Schluff, Sand, Kies) (10µm-1cm) -Trübungsbereich (Ton, Schluff) (1µm-100µm) -Kolloidaler Bereich: kolloidale Lösung (nm), kolloidale Suspension(0,1µm) -Echte Lösung Angstrom 10^-10m

Definition Fällung ist die Überführung echt gelöster Verbindungen durch eine chemische Reaktion in eine ungelöste, meist in eine feste Phase, die abtrennbar ist.

Definition Flockung beschreibt keinen Phasenübergangsprozess, sondern die Beschleunigung der Bildung von Makroflocken, Mikroflocken, Kolloiden etc. durch den Zusatz von Chemikalien

Ablauf der Fällung Im Rohwasser enthaltene gelöste Stoffe: Eisen(II)-hydrogencarbonat = Fe(HCO3)2 und Mangan(II)-hydrogencarbonat = Mn(HCO3)2 Fällung = PHASENÜBERGANGSPROZESS Zugabe Fällungsmittel Eisen(ll)-hydrogencarbonat => Fe(HCO3)2Eisen(III)-oxidhydrat ->Es werden mehrere gelöste Komponenten zu abscheidbaren Feststoffen umgebildet. gelöste Stoffe Teilchengröße < 0,001 µm -Zugabe von Fällungsmitteln-> Mikroflocken -Flockungshilfsmittel-> Makroflocken -> Phasentrennung (dann, Sedimentation, Filtration oder Flotation)

Ablauf der Flockung Abtrennung von ungelösten Stoffen Zugabe Flockungsmittel: abscheidbare Feststoffe „verbinden“ sich und können sich absetzen. kolloidal gelöste Stoffe Teilchengröße < 0,001-1 µm -(Flockungsmittel) ->, sowie Suspensa & Schwebstoffe Teilchengröße > 1 µm ->Mikroflocken->Flockungshilfmittel->Makroflocken-> Phasentrennung (dann, Sedimentation, Filtration oder Flotation)

Abfiltrierbare Soffe: Suspensa, Schwebstoffe (kleine Partikel, z.B. Einzelbakterien, Bruchstücke von Schlammflocken) Größe: 0,5-2µm, Verursacher der Trübung während Klärung

Schematische Einteilung der Stoffe: Stoff: Reinstoff, Gemisch Reinstoff: Element, Verbindung. Gemisch:Lösung, Dispersion (auch Kolloid) Dispersion: Aerosol, disperse Flüssigkeit, disperser Feststoff Aerosol:Nebel,Rauch. disperse Flüssigkeit: Schaum, Emulsion, Suspension

Weitere Hintergründe zur Flockung in Bezug auf Oberflächengewässer:

• In diesen Gewässern liegen feinstverteilte Feststoffe (z. B. Planktonorganismen) und gelöste Stoffe vor, die bei natürlicher Sedimentation zu sehr langen Aufenthaltszeiten in den Absetzbecken führen bzw. erst gefällt werden müssen.
• In den meisten Fällen ist die Oberfläche der festen Stoffe negativ geladen. Dies führt    zu einer stabilen Dispersion, da sich die Partikel gegenseitig abstoßen.
• Ein wichtiger Schritt ist daher die Entstabilisierung durch die Zugabe von    Flockungsmitteln in Form von Aluminium- und Eisen-Ill-Salzen.
• Es bilden sich in beiden Fällen zunächst Mikroflocken, dann sedimentierfähige Makroflocken.

Grundlagen zu Fällung und Flockung

• Jedes Flockungsmittel hat einen optimalen pH-Bereich und eine optimale Zugabemenge. o z.B. Aluminiumsulfat: Zugabemenge 10 - 50 g/m? - pH-Wert zwischen 5,5 und 7,0
• Durch die Zugabe von Flockungshilfsmitteln entstehen Vernetzungseffekte, die zu einer    weiteren Verbesserung der Flockeneigenschaften führen.
• Neben der Abtrennung von Feinstpartikeln und Kolloiden kommt es zur Ausfällung und    Mitfällung von gelösten Wasserinhaltsstoffen.
• Die Abtrennung der gebildeten Flocken kann auch durch Flotation, Parallelplattenabscheider    (Lamellenabscheider) und durch direkte Filtration (Flockungs-Filtration) erfolgen.
• Im Einsatz sind auch Kombinationen als so genannte „Hochleistungsflocker“.

Trübstoffe im Wasser Negativ geladenes Schmutzteilchen und Dipolmoleküle des Wassers ergeben eine diffuse elektrische Doppelschicht. In Oberflächennähe: Ausgleich der Oberflächenladung durch positive Ionen. • Die eher schwachen Van-der-Waals-Kräfte sorgen dafür, dass sich im Wasser dispergierte Partikel zusammenlagern wollen. • Verhindert wird dies häufig durch eine elektrostatische Abstoßung der Teilchen/der diffusen Doppelschicht. Die Van-der-Waals-Kräfte sind nur bei einem Abstand von der Oberfläche von circa 0 stärker als die elektrostatische Abstoßung. Damit die Partikel koagulieren müssen sie in diesen dominanten Bereich der Van-der-Waals-Kräfte gebracht werden.

Übersicht Entstabilisierungs- und Flockungsmechanismen I. Entstabilisierung durch Elektrolyte Kompression bzw. Verdichtung der diffusen Doppelschicht und Abschirmen der Abstoßungskräfte II. Adsorptionskoagulation: Ladungsneutralisation III. Flocculation: langkettige Polymermoleküle adsorbieren auf zwei Partikeloberflächen, elektrostatische Abstoßung wird nicht überwunden IV. Mitfällung: Einschließen disperser Teilchen in die Niederschläge (ausfallende Eisen- und Aluminiumhydroxide) aus einer Fällung

Entstabilisierung durch Elektrolyte (Gegen-Ionen) Vorgang:

• Kompression der diffusen elektrischen Doppelschicht. Wirkung: ° Je höher die Konzentration und die Ladung der Gegen-Ionen ist, desto kleiner wird die Reichweite der elektrostatischen Abstoßung. ° Ab einer bestimmten Konzentration des Elektrolyten entfällt die Energiebarriere. Die Partikel können sich soweit nähern, dass die Flockung eintritt.

Entstabilisierung durch Elektrolyte (Gegen-Ionen) - Vorgang: Kompression der diffusen elektrischen Doppelschicht.

Entstabilisierung durch Elektrolyte (Gegen-Ionen)-Wirkung: ° Je höher die Konzentration und die Ladung der Gegen-Ionen ist, desto kleiner wird die Reichweite der elektrostatischen Abstoßung. ° Ab einer bestimmten Konzentration des Elektrolyten entfällt die Energiebarriere. Die Partikel können sich soweit nähern, dass die Flockung eintritt.

Adsorption-Ladungsneutralisation Vorgang:

• Zugabe positiver Ionen Wirkung: ° Die Adsorption positiver Ionen bewirkt eine Veränderung der Oberflächenladung. « Diese Form der Koagulation wird vor allem durch die stark positiv geladenen Hydroxokomplexe der mehrwertigen Metallionen (Fe, Al) erreicht. « Infolge eines Umladungseffektes durch Überdosierung ist eine „Restabilisierung‘ möglich. (Aluminiumsulfat)

Adsorption-Ladungsneutralisation Vorgang:

• Zugabe positiver Ionen

Adsorption-Ladungsneutralisation - Wirkung: ° Die Adsorption positiver Ionen bewirkt eine Veränderung der Oberflächenladung. « Diese Form der Koagulation wird vor allem durch die stark positiv geladenen Hydroxokomplexe der mehrwertigen Metallionen (Fe, Al) erreicht. « Infolge eines Umladungseffektes durch Überdosierung ist eine „Restabilisierung‘ möglich. (Aluminiumsulfat)

Flocculation (Adsorption-Brückenbildung) Vorgang: ° Zugabe langkettiger Polymermoleküle Wirkung ° Durch Brückenbildung zwischen den Partikeln wird eine Entstabilisierung erreicht. « Sehr langkettige Polymermoleküle adsorbieren auf zwei Partikeloberflächen, wodurch diese miteinander vernetzt werden. « Es gibt eine optimale Polymerkonzentration, unterhalb der die Vernetzung mangels Polymermolekülen, oberhalb der sie mangels freier Adsorptionsplätze an den Teilchen unvollständig bleibt.

Flocculation (Adsorption-Brückenbildung) Vorgang: ° Zugabe langkettiger Polymermoleküle

Flocculation (Adsorption-Brückenbildung) Wirkung: ° Durch Brückenbildung zwischen den Partikeln wird eine Entstabilisierung erreicht. « Sehr langkettige Polymermoleküle adsorbieren auf zwei Partikeloberflächen, wodurch diese miteinander vernetzt werden. « Es gibt eine optimale Polymerkonzentration, unterhalb der die Vernetzung mangels Polymermolekülen, oberhalb der sie mangels freier Adsorptionsplätze an den Teilchen unvollständig bleibt.

Mitfällung (Einschlussflockung) Vorgang ° Zugabe Eisen-bzw. Aluminiumhydroxide Wirkung ° Die ausfallenden Eisen-bzw. Aluminiumhydroxide schließen andere disperse Feststoffe in die entstehenden Flocken mit ein. Die Einstellung des pH-Wertes ist zu beachten (Einstellung mittlerer pH-Werte). ° Die Mitfällung ermöglicht die Entfernung aller Arten von Kolloiden, weil deren stofflichen Eigenschaften keinen Einfluss auf die Flockung selbst haben. « Eine durch eine Überdosierung ausgelöste „Restabilisierung“ kann nicht auftreten.

Flockungsmittel Stoffe, durch deren Zusatz die Koagulation kollodial gelöste oder sehr fein verteilte ungelöste Stoffe gefördert wird. Als Flockungsmittel werden z.B. verwendet: Eisensalze (z.B. FeCl3, FeSO4) Aluminiumsalze (z.B. Al2(SO4)3) Kalziumhydroxid (gelöschter Kalk: Ca(OH)2)

Flockungshilfsmittel sind synthetische (meistens auf Kunstharzbasis z.B. Polyelektrolyte) oder natürliche Polymere (z.B. Polyacrylamide, Stärke).

Grundlagen zur Auslegung von Flockungsanlagen

• Als Flockungsmittel sind die Salze des dreiwertigen Eisens und Aluminiums besonders geeignet
• Die Wirkung der Flockungsmittel ist stark pH-Wert-abhängig. Der Flockungs-pH-Wert muss in jedem Fall über 5,5 und bei Verwendung von Aluminiumsalzen unter 7,4 liegen, bei polymerem Aluminiumchlorid unter 9,0.
• Die Wirkung der Flockungsmiittel ist von der Wassertemperatur abhängig, da die Beweglichkeit der Partikel mit steigender Temperatur und sinkender Viskosität zunimmt.
• Zur Flockung werden normalerweise 0,03 bis 0,3 mol/m3 dreiwertige, d.h. 0,7 bis 7,0 g/m3 Al- und 1,7 bis 17,0 g/m3 Fe-Ionen benötigt. Werte bis 100 g/m3 können bei größerer Belastung nötig sein.

FLOCKUNG UND FÄLLUNG, REAKTORKONFIGURATION, Flockungs- und Sedimentationsanlage Q Einlauf und Chemikalien ins Mischbecken (Verweilzeit: 2-5 min, G_Einmischung) mit Rührerleistung. Von dort ins Flockungsbecken (10-80 min, G_Aggregation) mit geringerer Rührerleistung. Von dort weiter ins Absetzbecken(90-180min), wo es unten einen Feststoffabzug gibt.

Für Rührwerke gilt als Bemessungsgröße der Geschwindigkeitsgradient (G-Wert). Der G-Wert ist wie folgt definiert: G =Wurzel(P/[dyn.Viskosität * Reaktorvolumen])  =Wurzel(P/[Viskosität Q t*Dichte]) Die dynamische Viskosität ist das Verhältnis von Schubspannung und Geschwindigkeitsgradient Q = Durchfluss m³/h, t = Aufenthaltszeit im Reaktor/Becken

Flockung: Bemessung Rührwerk G gibt an, welche Geschwindigkeitsdifferenz je Längeneinheit rechtwinklig zur Strömungsrichtung herrscht. Der G-Wert sollte bei der Einmischung im Bereich von 500 bis 2000 s-1 liegen. Der dazu notwendige Leistungseintrag beträgt – je nach Wirkungsgrad der Energieumsetzung – etwa 100 bis 200 W je m³ Reaktorvolumen.

Beschreibung der Abbildung der verschiedenen Prozessstufen und technischen Spezifikationen einer Flockungs- und Sedimentationsanlage. Prozessfluss: Das Wasser fließt durch verschiedene Stufen der Behandlung, beginnend mit dem Mischbecken, gefolgt vom Flockungsbecken, und endet im Absetzbecken. Flockungsmittelzugabe: Zu Beginn des Prozesses wird ein Flockungsmittel zugegeben, das dazu dient, im Wasser kolloidal suspendierte Partikel zu aggregieren, sodass sie leichter absetzen können. Mischbecken: Das Wasser verweilt 2-5 Minuten im Mischbecken. Hier wird eine Rührleistung von 50-200 W/m³ benötigt, und die Umfangsgeschwindigkeit der Rührer beträgt 5 m/s. Flockungsbecken: Nach dem Mischbecken gelangt das Wasser in das Flockungsbecken, wo es 10-80 Minuten verbleibt. In dieser Phase wird eine reduzierte Rührleistung von 10-30 W/m³ und eine Umfangsgeschwindigkeit von 0,5-1,5 m/s angewendet, um die gebildeten Flocken nicht zu zerstören. Absetzbecken: Im letzten Schritt fließt das Wasser in das Absetzbecken, wo es 90-180 Minuten verweilt, um die Flocken vollständig absetzen zu lassen. Hierbei sammeln sich die Feststoffe am Boden des Beckens, von wo sie als Feststoffabzug entfernt werden.

• Es zeigt Informationen über Verweildauer, Rührleistung und Umfangsgeschwindigkeit in jeder Phase der Behandlung.

Flockung: Aggregation

• Durch diesen Verfahrensschritt wird die Flockengröße und -dichte maßgeblich beeinflusst
• Je höher das Schergefälle (G-Wert), desto schneller erfolgt die Flockenbildung
• Zu große Flocken werden bei hoher Scherbeanspruchung wieder zerstört

Mischanlagen und -einrichtungen zur Entstabilisierung Rührkammern:

• Verweilzeiten von 20 s bis 3 min
• Schergefälle von 200 über 1.000 s
• besondere Geometrie zur Kontrolle von
• Rückvermischungen und Verweilzeitverteilung
• Rührenergie variabel Rohre:
• ohne Einbauten
• mit Blenden
• mit Verengungen oder Erweiterungen
• mit statischen Mischern
• mit Hochgeschwindigkeitsinjektionen Turbulenzzonen:
• vor, bei oder nach der Pumpe
• hydraulische Sprünge
• Überfallwehre

Reaktortypen zur Flockenbildung Rührbecken:

• Verweilzeiten von 2 bis 30 min
• Schergefälle von 100 bis 10 s
• zwei und mehr Becken in Reihe mit fallendem Schergefälle
• Anpassungen an Durchsatz und Rohwasser stat. Systeme:
• Durchströmte Kammern mit hydr. wirksamen Einbauten
• durchflussabhängige Systeme
• Fließgeschw. 0,1-0,2 m/s
• einfacher Bau Rohre:
• Schnelle Flockenbildung bei Rohrlängen von mehr als 20 m
• Begrenzungen des Durchsatzes nach unten und nach oben Schlamm-Schwebeschicht:
• Kombination mit Sedimentation
• Aufwärts strömendes Wasser
• Flockenbildung in der Schwebeschicht
• lange Anfahrzeiten

Flockung: Aggregation & Phasenseparation, Bemessungsparameter der Aggregation in Abhängigkeit von der Phasenseparation Sedimentation:

• G = 50 bis 100 s-1
• Bei mehrstufigen Flockungsreaktoren mit abgestuften Energieeintrag mit G = 10 bis 30 s-1 in der letzten Stufe
• Aufenthaltszeit t= 30 min Filtration:
• G= 40 bis 60s-1
• Aufenthaltszeit t = 2 bis 15 min Flotation:
• G = 50 bis 100 s-1
• Aufenthaltszeit t= 15 bis 30 min

Stoffe / Partikel im Wasser: Filtrationsbereich

• Schluff, 10µm—100µm, Trübungsbereich

Unter Filtration versteht man

• die Verminderung der Partikelkonzentration beim Durchströmen eines Filtermediums.
• (Nach DVGW W 213 werden auch die Membranverfahren der Filtration zugerechnet)

Filtermedium, -mechanismen, -wirksamkeit

• Das Medium ist ein durchlässiges Porensystem, das häufig aus geschüttetem festem Filtermaterial (z. B. Filtersand) besteht. Die Konzentrationsänderung der Wasserinhaltsstoffe kann durch chemische, physikalische und biologische Wirkmechanismen an der Oberfläche des Filtermaterials erfolgen.
• Häufig wirken mehrere Mechanismen zusammen.
• Sind die abzutrennenden Wasserinhaltsstoffe gegenüber dem Porensystem zu groß, so entsteht in der oberen Filterschicht eine unerwünschte Siebwirkung. Durch den Filtervorgang und die damit verbundene Konzentrationsänderung der Wasserinhaltsstoffe wird Filtermaterial entweder beladen oder verbraucht. Hierdurch ändert sich die Filterwirksamkeit im Laufe der Zeit. (Filter sind damit die zentralen Anlagenteile der Trinkwasseraufbereitung)

Es gibt zahlreiche …in Filtern…

• Prozesse, die in (…) stattfinden können
• Bauformen
• Filtermaterialien
• Filterschichtaufbauten
• Filter-Betriebsweisen)

Aufgaben der Filtration

• Feststoffabtrennung, Suspensa-Entnahme
• Adsorption
• Entsäuerung
• Enteisenung und/oder Entmanganung
• Biologische Reinigung
• Ionenaustausch Es wird ferner unterschieden zwischen:
• Filtration über chemisch inerte Materialien und
• Filtration über chemische aktive Materialien

Einleitung: Vorgänge in Filtern Transportvorgänge in Filtern:

• Diffusion
• Sedimentation
• Einfangmechanismen
• hydrodynamische Effekte Anlagerungsmechanismen:
• zwischenmolekulare Kräfte
• elektrische Kräfte
• Adsorptionsvorgänge
• chemische Vorgänge

Unterscheidungskriterien Filteranlagen Filtergeschwindigkeit:

• Langsamsandlfilter
• Schnellfilter Druck:
• Offene Filter
• Geschlossene Filter Schichtenaufbau:
• Einschichtfilter
• Mehrschichttfilter Fließrichtung:
• Von oben nach unten
• Von unten nach oben Eindringtiefe der Ablagerungen:
• Oberflächenfilter
• Raumfilter Wasserspiegelhöhenlage:
• Nassfilter mit Überstau
• Trockenfilter

Langsamsandfilter

• haben eine Filtergeschwindigkeit von v= 0,05 bis 0,3 m/h. Damit ergibt sich ein sehr hoher Raumbedarf.
• Sie wirken als Oberflächenfilter und haben hierdurch eine gewisse biologische und bakteriologische Wirkung.
• Wässer mit geringen organischen Verunreinigungen können damit über Langsamfilter filtriert und dabei weitgehend entkeimt werden.
• In den oberen Schichten der Langsamfilter bildet sich ein biologischer Rasen („Schmutzdecke“) aus, der einerseits die Filtrationsschärfe durch Zuwachsen der Zwischenräume erhöht und
• andererseits die organische Substanz durch mikrobiologische Abbauprozesse reduziert.

Aufbau eines Langsamsandfilters

• Schmutzdecke
• Sandfilterkörnung um 0,6 mm, H>0,5 m
• Sandfilteraufbau mit zunehmender Korngröße
• Drainageboden Grundschicht mit Sammelsystem 200 - 500 mm,  Stützschichten 200 - 400 mm,  Filtermaterial 1.000 - 1.200 mm,  Überstau 300 mm bei abgedeckten Filtern, 1.000 mm bei freien Filtern

Schnellfilter (geschlossen), Filtration und Rückspülung:

• Mannloch
• Entlüftung
• Freibord
• Filterschicht
• Stützschicht
• Filterboden
• Spüllluftzuführung
• Mannloch
• Rohwasserzuführung bzw. Schlammwasserabfluss
• Reinwasserabfluss (Filtrat) bzw. Spülwasserzuführung

Aufbau (oben nach unten) Mehrschichtfilter (geschlossen) Höhe=1200mm: Filter Anthrazit N, Schüttdichte 730 kg/m³, Korngruppe 1,4-2,5 mm Höhe=1100mm: Filtersand/-kies, Schüttdichte 1500 kg/m³, Korngruppe aufgeteilt in: Korngruppe 0,71 - 1,25 (H=800mm), Stützschicht: Korngruppe 2,0 - 3,15 (H=150mm), Korngruppe 3,15 - 5,6 (H=150 mm).

Filteraufbau von oben nach unten:

• Zufluss, Überstau,
• Filterrichtung ?, vf=3-15 m/h
• Filterschichten: insg. 1-2,5 m (1.Filterschicht: Grobes Oberkorn, 2. Filterschicht: Feines Unterkorn, 3. Stützschicht)
• Filterboden durch die Polsterrohrdüsen führen
• Spülluft, Spülwasser rein Filtrat raus, Spülwasser durch Pumpe im Kreislauf.

Filterbodendüse:

• Stützschicht (Filterkies, Düsenkopf)
• Dichtung zwischen Kopf und Boden
• Filterboden (Polsterrohr, obere Hälfte)
• Luftpolster (Spülluft kann von dort an den Seiten und bis zur Hälfte im Filterboden eindringen)
• Wasser (durch untere Öffnung dringt Spülwasser ein)

Filtermaterialien: Große runde Körner

• geringer Filterwiderstand
• geringe Druckverluste
• großer Durchsatz
• große Poren
• geringe wirksame Oberfläche
• Trübstoffe im Filtrat Kleine runde Körner
• kleine Poren
• große Oberfläche
• trübstofffreies Filtrat
• geringer Durchsatz
• hoher Filterwiderstand, Siebwirkung => geringe Laufzeit -> Kombination= weniger Druckunterschied, weniger Belastung.

Filtermaterialien/-körnungen:

• Hydroanthrazit (0,8 - 1,6 mm), Quarzsand (0,4 - 0,7 mm)
• Hydroanthrazit (1,6 -— 2,5 mm), Sand (0,7 - 1,25 mm)
• Bims (1,7 -2,5 mm)

 FILTERBETRIEB- Nachlassende Filterwirksamkeit mit der Zeit.

• Einschichtfilter: Filterwiderstand deutlich höher bei 10-15 h, Mehrschichtfilter: Filterwiderstand deutlich höher bei 30-50h.
• Mehrschichtfilter: bessere Druckverteilung – bessere Filtrationswirkung.

Vorteile des Mehrschichtfilters

• Raumfiltration
• größere Feststoffaufnahme
• langsamerer Anstieg des Druckverlustes o längere Filterlaufzeiten o geringerer Spülwasserbedarf (weniger Rückspülen)
• zusätzliche Dosiermöglichkeiten von Flockungsmitteln
• geringere Empfindlichkeit gegen Belastungsschwankungen

Reinigung Langsamsandfilter

• Laufzeiten zwischen den Reinigungen 50-300 Tage.
• Sie sind i. d. R. nicht rückspülbar und die Reinigung erfolgt durch ein Abschälen der oberen Filterschicht.
• Abgeschältes Filtermaterial kann in Wascheinrichtungen gereinigt und später wieder eingebracht werden.
• Dazu wird das zu reinigende Material entweder zu einer Sandwaschanlage gebracht, gesäubert und anschließend wieder eingebracht oder es wird eine Sandwäsche im Filter durch eine auf Schienen fahrbare Sandreinigungseinrichtung vorgenommen.

Reinigung Schnellfilter

• Filterlaufzeit wenige Stunden bis mehrere Tage < 10d
• Rückspülung bei Nutzung von Filtrat, evtl. bei gleichzeitiger Verwirbelung mit Luft
• Die Rückspülung ist schnell einleitbar und ohne weitere Vorbereitungsmaßnahmen durchzuführen
• Benötigt wird insbesondere eine Spülwasserpumpe, evtl. mit Spülwasserverdichter
• Es fällt zu behandelndes Abwasser an (ca. 1-3% des Rohwasservolumens)

Programm Schnellfilterreinigung In Abhängigkeit von der Filtergröße sind folgende Werte für die kombinierte Luft/Wasserspülung üblich: Luftspülung:

• 1 bis ca. 3 Minuten mit Luftgeschwindigkeiten im Bereich von 60 m3/m2 /h = m/h Luft/Wasserspülung:
• 5 bis ca. 10 Minuten mit Luftgeschwindigkeiten im Bereich von
• 60 m/h sowie Wassergeschwindigkeiten von ca. 10 m/h Wasserspülung:
• 10 bis 25 m/h bis zum klaren Wasserablauf.
• Bei biologisch arbeitenden Filtern darf nicht klargespült werden. (Biofilm) Hinzu kommen noch das Absenken des Wasserspiegels bis knapp über das Filtermedium und das Einfiltrieren mit ca. 10 Minuten.

Reinigung Mehrschichtfilter Programm zur Rückspülung von Mehrschicht-Filtern:

1. Schritt: ca. 3 bis 5 Minuten Wasserspülung mit Wassergeschwindigkeiten je nach Korngröße von 30 bis 80 m/h
2. Schritt: Absenken des Wasserstandes bis knapp über Materialoberkante
3. Schritt: ca. 1 bis 3 Minuten Luftspülung mit ca. 60 m/h
4. Schritt: ca. 2 Minuten Verweilzeit zum Entweichen der Luft
5. Schritt: ca. 3 bis 5 Minuten Wasserspülung mit 30 bis 80 m/h (Klarspülung nur bei rein chemisch/katalytischer Filterung)
6. Schritt: Einfiltern des Filters „Bei der Wasserspülung muss die Spülgeschwindigkeit mindestens so hoch eingestellt werden, dass die Fluidisierung des Filterbettes erreicht wird. Eine kombinierte Luft/Wasserspülung ist nicht zu empfehlen, da sich hierdurch die unterschiedlichen Materialien zu stark vermischen und durch die Bettausdehnung die normalen Freibordhohen nicht ausreichen.“

Filtration durch eine Porenmembran:

• Von oben Rohwasser/ Feed (Modell: große kleine Kugeln) auf
• Membran (Modell: Wand mit Löchern),
• (kleine Kugeln) Reinwasser/Permeat gehen durch Membran,
• (Große Kugeln) nicht, Konzentrat wird „abgeschöpft“.

Filtrationsmethode je nach Stoffe-/Partikelgröße im Wasser: ~ 10-10 – Umkehrosmose – echte Lösung/Angstström ~ 10-9 -10-8 – Nanofiltration – kolloidale Lösung/ nm ~ 10-8-10-7 – Ultrafiltration – kolloidale Suspension/ 0,1 µm ~ 10-6 – Mikrofiltration – Trübungsbereich/ Ton/ µm ~ 10-4 – Schnellfiltration – Trübungsbereich/ Schluff/ Absetzbare Stoffe/ 0,1 mm

Übersicht Membranverfahren Umkehrosmose (10-100 bar, 15-20 I/m2 h)        ~ 0,0001 µm – 0,001 µm - Ionen Nanofiltration (3-20 bar, 20-30 I/m2 h)        ~ 0,001 µm – 0,01 µm- Pestizide Ultrafiltration (0,1-5 bar, 50-90 I/m2 h) ~ 0,01 µm - 0,1 µm- Viren Nano/Ultrafiltration: Makromoleküle (0,005-0,1 µm) Nano/Ultrafiltration/Mikrofiltration: Kolloide (0,01-0,9 µm) Mikrofiltration (0,1-2 bar, 100-150 l/m2 h)        ~ 0,1 µm – 1 µm - Partikel 0,1 µm – 10 µm - Bakterien ~1 µm

Bausteine einer Trinkwasseraufbereitung: Vorreinigung:

• Rechen, Mikrosiebanlage, Sandfang Phasenseparation:
• Filtration: langsam, schnell, offen, geschlossen
• Sedimentation (mit vorgeschalteter Flockung)
• Flotation (mit vorgeschalteter Flockung)
• Schlammkontaktanlage mit Flockenkreislauf Entsäuerung:
• Offene und geschlossene Gasaustauschanlagen
• Chemische Entsäuerung (Jurakalk, dolomitisches Material) Enthärtung:
• Gasaustausch, Fällung Entsalzung:
• Ionenaustauscher Enteisenung/ Entmanganung:
• Fällung und Schnellfiltration, Filtration mit biologischer Mitwirkung Desinfektion:
• Chlorverfahren, UV-Bestrahlung, Ozonung

Gründe für den Einsatz der Membrantechnik: Hygiene /Seuchenschutz:

• Desinfektion: bessere Elimination pathogener Mikroorganismen wie bspw. Cryptosporidium parvum, Giardia lamblia und Coliphagen Modifizierung Verfahrenstechnik:
• Rein physikalische Desinfektion und damit Vermeidung von Desinfektionsnebenprodukten (THM)
• Voraussetzung für schonende Desinfektionsverfahren: z.B. UV- Desinfektion
• Verzicht auf Zusatzstoffe bei der Aufbereitung (z.B. Fällungsmittel) Lösung alter und neuer Stoffproblematiken
• Alt: Nitrat
• Neu: Mikroschadstoffe / Arzneimittelrückstände in der aquatischen Umwelt Sicherheiten gegenüber neuen Herausforderungen wie bspw.
• Klimawandel
• Vogelgrippe

Anwendungsbereiche MF, UF, NF, UO: Trübung: MF, UF, NF/UO: Vorbehandlung erforderlich Partikel (1-100 µm): MF, UF, NF/UO: Vorbehandlung erforderlich Coliforme Keime: MF, UF, NF, UO Clostridium perfr. : MF, UF, NF, UO MS2-Phagen: MF(eingeschränkt), UF, NF, UO Parasiten: MF, UF, NF, UO Ca, Mg: NF, UO Na, Ka: NF, UO (besser für einwertige Ionen) Sulfat: NF, UO Chlorid: NF, UO (besser für einwertige Ionen) Nitrat: NF, UO (besser für einwertige Ionen) Pestizide: NF, UO

Membranstruktur, -materialen und -formen:

• Struktur: homogen

Modulbauformen: Schlauchmembranen:

• Rohrmodul
• Kapillarmodul
• Hohlfasermodul Flachmembranen:
• Plattenmodul
• Wickelmodul
• Kissenmodul

Dead End Rohwasser -> Membran -> Permeat

• Feed durch Membran “gedrückt” und [nur] Permeat raus

Cross-Flow Rohwasser ->Membran -> Permeat                                                 ->Konzentrat

• Feed “über” Membran -> Permeat und Konzentrat raus

ULTRAFILTRATION – ANWENDUNGSBEREICH & BETRIEB

• Kolloidaler Bereich (Suspension), (0,01µm-0,1µm)

ULTRAFILTRATION Betriebliche Kenngrößen: Wiederherstellung Flux durch Rückspülung: Filtrationsintervall, Reversible Fouling Effekte, alpha, nicht-reversible Fouling Effekte: abhängig von

• Rohwasserqualität
• TMP
• Art der Rückspülung Permeabilität; starke Abnahme des Flux ohne Rückspülung, Intervall bis zur nächsten chem. Reinigung = mehrere Filtrationsintervalle

Ultrafiltration – Betrieb und Rückspülung: Filtration: Rohwasser-, Filtratwasserstrecken abwechselnd, Rohwasser läuft in Filtratstrecken. Spülung: Druckluft durch Rohwasserstrecken, Filtrat läuft, zu vorher, rückwärts durch 3-Phasen-Kontakt: Luft, Wasser, Membran von Filtratstrecke in Rohwasserstrecke und durch Abfluss hinaus. Das Modul besteht aus mehreren Kapillaren („Wasserstrecken“).

Beispiel: Aufbereitung Talsperrenrohwasser: Aufbereitung mit Ultrafiltration: Roetgen

• Rohwasser von der Talsperre
• Zugabe von Kaliumaluminiumsulfat NaOH/CO2
• 1,4 mg/l Al
• Geht durch UF-Membrananlage
• Q = 6.000 m³/h, AMembran = 70.000 m²
• Dann pH-Wert Einstellung
• Filterstufe 1: o Aufhärtung, Entmanganung (Kalksteinfilterstufe 1)
• Filterstufe 2: o Entmanganung, Enteisenung und Aufhärtung (Kalksteinfilterstufe 2)
• Dann opt. Desinfektion, Rest-Entsäuerung und Trinkwasserchlorung (NaOH) ==> Zum Trinkwasserbehälter bis hin zu Versorgungsgebieten Spülungen alle 60-70 Minuten Spülung mit 2,5- Auslegungsflux, 225 zu 90 l/m² / h

Aufbereitung von Talsperrenwasser mit Ultrafiltration: Links ohne Vorbehandlung, rechts mit Vorbehandlung Flächenbelastung l/(m²h) 60, 150 Filtrationszyklus min 30, 120 Ausbeute % 94, 98 Verfügbarkeit % 89, 98 Intervall Reinigungschemikalien h 36, 168 Natronlauge g/m³ 8,8, 0,7 Natriumhypochlorit g/m³ 3,7, – Schwefelsäure g/m³ 2,0, – Zitronensäure g/m³ 13,3, 1,0

Aufbau eines Flotationsbeckens Zulauf (links unten), aufsteigendes Flotat, Gasbläschen, Flotatabzug (entgegengesetzt oben), Ablauf (rechts unten) Schichten

• Flotat, ca. 30 cm, abhängig von Lufteintrag, Abräumverfahren etc.
• Trennzone, Höhe abhängig von Beckengröße etc.
• Klarwasserzone, ca. 40 cm
• Bodenschlamm, ca. 30 cm

Warum Rundbecken und nicht Rechteckbecken? Strömungen in Rundbecken günstiger, Wehrschwelle besser, Geschw. sinkt durch größere Fläche. Für letzte Stufe reichen Rechteckbecken

Abläufe im Flotationsbecken: 4. Schritt, Fertige Flocke 3. Schritt: Die Flocke ist leichter als die Flüssigkeit und steigt aufwärts ?                  ---Luftbläschen-----> 2. Schritt Schlammflocken und Luftblasen treffen sich und bilden eine Flocke    ---Luftbläschen----->

1. Schritt: Schlammflocke

Flotation: -— Aufschwimmverfahren - es werden suspendierte Stoffe geringer Dichte mit Hilfe von Luftblasen zur Wasseroberfläche gebracht (Aufschwimmen). Das Flotat wird von der Oberfläche abgezogen (abgeskimmt).

• Bei der Sedimentation sind Flocken mit möglichst großer Dichte erforderlich, während bei der Flotation die Anlagerungsfähigkeit von kleinen Gasblasen ausgenutzt wird. Somit sind voluminöse, weniger dichte Flocken gefordert.
• Die Flotation wird häufiger in der Abwasserbehandlung und seltener in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt. o z.B. bei Rohwasser mit geringer Trübung, stärkerer Farbe, welche bei einer Flockung sehr leichte Flocken bilden, die sich nur sehr langsam absetzen.

Flotation - Prozessablauf und -parameter:

• Bei der Flotation werden dem Rohwasser häufig Flockungsmittel zugegeben.
• In einem Flockulator wird die Bildung der Flocken angeregt, so dass in dem anschließenden Flotationsbecken durch Einblasen von feinen Luftblasen leichte Flocken-Luft-Teilchen gebildet werden, die nach oben aufschwimmen.
• Die Aufenthaltszeit im Flockulator beträgt 10-20 min, im Flotationsbecken etwa 10 min.
• Das Flotationsbecken hat eine Tiefe von etwa 1,5 m, die Aufschwimmgeschwindigkeit beträgt 8-12 m/h (relativ hoch)

Einleitung: Voraussetzungen und Vorteile der Flotation Voraussetzungen

• abzuscheidende Partikel sind hydrophob und gut mit Luft benetzbar
• aufschwimmende Teilchen bilden eine gute stabile Schaumschicht (Flotatdecke), die einfach mechanisch zu entfernen ist (Bakterienentwicklung Jahreszeitenabhängig) Vorteile:
• bessere Steuerbarkeit des Prozesses
• höhere Feststoffgehalte im Schlamm (macht u. U. Eindicker für Schlamm überflüssig)
• auf etwa 20-30% verringerte Absetzzeiten gegenüber der Sedimentation damit kleinere Becken möglich

Einleitung: Flotation – Prozessschritte:Der Flotationsprozess

• besteht aus drei Hauptschritten: 1.Gasblasenbildung / Eintritt von Gasblasen in den Reaktor 2.Permanenter Kontakt zwischen Gasblasen und festen Partikeln oder Flocken herstellen 3.(Aufwärts-)Bewegung des Gasblasen/Festkörper-Komplexes
• Unterschiedliche Flotationsprozesse unterscheiden sich vor allem dadurch, wie die Gasblasen   eingebracht oder erzeugt werden.

Flotation - Die drei Grundtypen: a) Mechanische Flotation

• Pneumatische Flotation
• Dispersionsflotation b) Entspannungsflotation / Dissolved Air Flotation (DAF)
• Vollstromverfahren
• Teilstromverfahren
• Recycleverfahren c) Elektroflotation: Elektroden (ca. 5V erzeugen Gasbläschen unten, Zulauf oben erst nach unten, Schlammabzug oben (Dickschlamm), über Trennwand und von unten wieder nach oben Ablauf gereinigtes Wasser.

Flotation - Bemessung A= [Zufluss zum Flotationsbecken + Rückfluss (beim Recycle-Verfahren)] / Oberflächenbeschickung des Flotationsbeckens bezogen auf den Zufluss einschließlich Rückfluss beim Recycle-Verfahren hydr., Qges = 150 % durch Recycle Wasserstrom A= Feststoffgehalt im Zufluss zum Flotationsbecken * Zufluss zum Flotationsbecken/ Feststoff-Flächenbelastung

Mechanische Flotation:

• Luftblasen werden durch einen Belüfter eingeführt, der die Luft mechanisch durch einen eingetauchten Belüfter oder ähnliches im Wasser verteilt; Blasendurchmesser > 1 mm
• Es ist nur für Stoffe geeignet, die leicht flotierbar oder schwer emulgierbar sind.
• Vorteil: Einsatz einer relativ einfachen Belüftungseinheit, die im Flotationstank platziert ist, so dass nur eine geringe Investition erforderlich ist.
• Nachteil: Zerstörung empfindlicher Flocken oder Emulsionen von leichtem Mineralöl durch die hohe Scherbeanspruchung.

Schema der mechanischen Flotation: Zulauf links nach unten, Luftansaugung von oben (Pumpe), Luftaustrag, Gliederkette mit Räumerschilden (Flocken = Gasblasen + Partikel) werden an Oberfläche über Zahnräder abgezogen.

ENTSPANNUNGSFLOTATION (DAF) engl. Dissolved Air Flotation:

• Bei der Flotation mit gelöster Luft hängt die Größe der Blasen von folgenden Faktoren ab:
• Art ihrer Entstehung,
• Öberflächenspannung und Viskosität des Wassers,
• Druckdifferenz in der Entspannung - im Allgemeinen ein Differenzdruck zwischen 3 und 4 bar
• feine Blasen

Entspannungsflotation (DAF)-Die folgenden technischen Möglichkeiten werden genutzt, um die erforderliche Blasengröße im Flotationstank bereitzustellen:

1. die Luft wird direkt in dem zu behandelnden Wasser gelöst (Vollstromverfahren)
2. nur ein Teilstrom des Abwassers wird mit Luft gesättigt (Teilstromverfahren)
3. aus dem Klarwasserablauf der Flotation gewonnenes Druckwasser wird mit dem Wasser in der Zuleitung oder im Reaktionstank vermischt (Recycle-Verfahren).

DAF-Vollstromverfahren: Zulauf-> Pumpe -> + Komprimierte Luft in -> Sättigungsbehälter —> druch Entspannungs- Ventil ins -> Flotationsbecken, wo oben Schwimmschlamm und unten Ablauf

DAF-Teilstromverfahren: —> Schwimmschlamm Zulauf wird abgetrennt und dann wie vorher über Pumpe + komprimierte Luft in -> Sättigungsbehälter -> durch Entspannungsventil zurück zum ursprünglichen Zulaufrohr ins Flotationsbecken, dort oben wieder Schwimmschlamm und unten Ablauf Design einer DAF im Recycle-Verfahren: Zufluss + Flockungsmittel (falls erforderlich) in Flockulationskammer (falls erforderlich), Ablauf wird teilweise über Luft, Ventil wieder aufbereitet in Kammer gebracht, Rest wird abgegeben.

Vergleich von mechanischer Flotation und DAF: Mechanische Flotation:

• Luftblasen werden durch einen Belüfter eingeführt.
• Blasendurchmesser bis zu 1 mm.
• Nur für Stoffe geeignet, die leicht flotierbar oder schwer emulgierbar sind. DAF:
• Gasblasen werden im Wasser (bzw. Abwasser) durch Änderung des Drucks erzeugt (Gaslöslichkeit ist vom Druck abhängig).
• Anreicherung von Luft unter höherem Druck

Elektroflotation:

1. Durch Elektrolyse an Elektroden werden Gasbläschen erzeugt. (Spaltung von Wasser durch eine Gleichspannung. Es entsteht Sauerstoff, der als Gasbläschen aufsteigt)
2. Die Gasbläschen flotieren die ausgefällten Feststoffe an die Oberfläche des Flotationsbehälter, aus welchem das behandelte Wasser abfließt.
3. Die an der Oberfläche gebildete Schlammschicht wird mittels Vakuums in einen Zyklon gesaugt, von der Förderluft getrennt und fällt in einen Schlammsammelbehälter

Schema Elektroflotation:

• Dickschlamm über Schlammabzug oben abezogen
• langer Weg vom Zulauf zum Ablauf (gereignigtes Wasser)
• viel Energie (Elektrolyse)

Definition der chemischen Wasseraufbereitung:

• Die chemische Wasseraufbereitung dient der weiteren Anpassung von Rohwasser an die Anforderungen der gesetzlichen Vorgaben.
• Die chemische Wasseraufbereitung kann aus gesundheitlichen, geschmacklichen bzw. ästhetischen Gründen sowie zur Vermeidung von Korrosion erfolgen.
• Bei chemischen Wasseraufbereitungsverfahren wird durch Zugabe von Chemikalien oder durch Filtrieren über chemisch aktive Substanzen die Zusammensetzung des Wassers verändert.

Hauptaufgaben der chemischen Wasseraufbereitung: Die chemische Wasseraufbereitung hat im Wesentlichen drei Grundaufgabenstellungen zu erfüllen: (Pestizide sind org., TOC, POC, DOC, CSB, DSB, Eisen, Mangan, Härte) (Ausfälle sind schlecht für Verteilung, lagert sich ab)

1. Entfernung organischer und anorganischer Verunreinigungen aller Art (fest, flüssig und gasförmig), die für den Verwendungszweck störend sind.
2. Stabilisierung gelöster und kolloidal gelöster Verunreinigungen, die den nicht korrosiven und sedimentationsfreien (keine Verunreinigungen) Transport in Rohrleitungen gewährleistet.
3. Desinfektion organisch verunreinigten Wassers, wenn es als Trinkwasser oder höherwertiges Brauchwasser eingesetzt werden soll.

Aufgaben der chemischen Trinkwasseraufbereitung:Übersicht: Entgasung, Gasaustausch Entsäuerung, pH-Wert, sodass es keine Korrosion gibt. Enthärtung, wird oft nicht zentral gemacht Entkarbonisierung, Hydrogencarbonat, HCO3-, H+ dissozieren im Wasser- OH- Wert Veränderung Entsalzung, Nitrat Desinfektion, Abtöten aller Pathogene, Enteisenung Entmanganung

chemischen Trinkwasseraufbereitung, Aufbereitungsziele I: Entgasung: Entfernung von gelösten Gasen aus dem Wasser, insbesondere Sauerstoff und Kohlendioxid, (Sauerstoff wird eher eingetragen)

• z.B. zur Vermeidung von Korrosion, Schaumbildung (In Kraftwerken, Wasser in Dampf), Kavitation Entsäuerung: Beseitigung von überschüssiger Kohlensäure
• z.B. zur Vermeidung von Korrosion Enthärtung: vollständige oder teilweise Entfernung der Härtekomponenten Calcium und Magnesium
• z.B. zur Vermeidung von Ablagerungen (CaCO3, CaSO4) Entkarbonisierung: Verminderung der Karbonathärte, d.h. vollständige oder teilweise Entfernung von Hydrogencarbonat und der gebundenen Härtekomponenten (Mg2+ oder Ca2+) („Teilenthärtung“)
• z.B. zur Vermeidung von Ablagerungen (Ausfällen von Calciumcarbonat) und Beschädigungen in Rohrleitungssystemen oder an Oberflächen von Wärmetauschern

chemischen Trinkwasseraufbereitung, Aufbereitungsziele Il: Enteisenung/Entmanganung: Entfernung von Eisen(ll) bzw. Mangan(ll) aus dem Wasser.

• z.B. zur Vermeidung von Ablagerungen im Rohrnetz, Verfärbungen beim Verbraucher, Geschmacksveränderungen durch Eisen (ca. 1 mg/l) Entsalzung: In einem mehr oder weniger großen Maßstab wird die Konzentration aller Salze verringert (d.h. Chlorid-, Sulfat- und Nitrat-Eliminierung (für Trinkwasser)).
• z.B. zur Vermeidung von Korrosion, Schaumbildung (eher für Erhitzung wichtig, für Trinkwasser nicht so relevant), Eindickung Desinfektion: Inaktivierung (keine Vermehrungsfähigkeit) / Abtöten von Pathogenen
• z.B. zur Sicherung und Wiederherstellung einer einwandfreien Trinkwasserqualität gemäß Trinkwasserverordnung und Infektionsschutzgesetz

Chemische Aufbereitungsverfahren: Entgasung: Gasaustausch (CO2 raus, O2 rein) Entsäuerung: Chemische Entsäuerung über Zugabe alkalischer Materialien (Co2 raus, auch Entsäuerung, chem. Entsäuerung Enthärtung: Fällung Entkarbonisierung: Fällung Enteisenung: Oxidation + Phasenseparation Entmanganung: Oxidation + Phasenseparation Entsalzung: Ionenaustausch Desinfektion: Zugabe von Desinfektionsmittel wie Chlorgas, Chlordioxid

Die DIN 2000 fordert: "Trinkwasser und die damit in Verbindung stehenden Werkstoffe sollen so aufeinander abgestimmt sein, dass keine Korrosionsschäden hervorgerufen werden."

Korrosion - Definition & Folgen Unter Korrosion versteht man eine Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, die zu einer Beeinträchtigung der Werkstoffeigenschaften und/oder der Umgebung führt.

Die Folgen von Korrosion sind:

• Zerstörung von Anlagenteilen
• Verminderung der Wasserqualität (z.B. Eisen, Zink, Kupfer, Blei)
• Bildung einer Kalkrostschutzschicht, die gewünscht ist: bildet Schutzschicht gegen Korrosion

Korrosion ist abhängig von folgenden Größen:

• pH-Wert
• Pufferung des Wassers
• Sauerstoffgehalt
• Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
• Salzgehalt (Chlorid, Sulfat) (Wasserhärte durch Salze und Kohlensäure, EC-Messung)

Einflüsse auf Werkstoffe und Wasser a: Werkstoff, b:Einfluss des Wassers auf den Werkstoff, c:Einfluss des Werkstoffs auf das Wasser 1.a: Eisengebundene Werkstoffe, b: Anodische Auflösung von Fe zu Fe(III), c: Bildung von Rostwasser bei Wässern mit hohem Neutralsalzgehalt (Sulfat und Chlorid) im Verhältnis zum Gehalt an Ca(HCO3)2 2.a: Zementgebundene Werkstoffe,b: Rücklösung der CaCO3-Deckschicht und Erweiterung der Rohroberfläche bei kalklösenden Wässern, c: Erhöhung des pH-Wertes über den Grenzwert der TrinkwV bei sehr weichen Wässern (geringes Pufferungsvermögen) 3.a: Kunststoffe, b: Keine Korrosion, c: Keine Beeinflussung

„Positive“ Korrosion Voraussetzungen zur Bildung einer Kalkrostschutzschicht (Schutzschicht gegen Korrosion)

• Wasser ist im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
• Karbonathärte > 2,8 °dH
• Sauerstoffgehalt > 6 mg O2/l (bei älteren Ablagerungen, Verringerung des Durchmessers, Reibungsverluste)

pH-Wert Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration: pH = -log [H+]

• Wenn pH < 7, dann mehr H+ -Ionen (sauer)
• Wenn pH = 7, dann neutral (10^-7 mol H+ - Ionen)
• Wenn pH > 7, dann mehr OH- - Ionen (alkalisch) Der zulässige pH-Wert für Trinkwasser liegt zwischen pH 6,5 und 9,0 [-] pH-Wert =7, neutral für reines Wasser bei 24°C

Säurekapazität: Pufferkapazität bei Säurezugabe; Quotient aus der Stoffmenge an Wasserstoff-Ionen, die von einer bestimmten Wassermenge bis zum Erreichen bestimmter pH-Werte aufgenommen werden kann, und des Volumens des Wassers in mmol/l. k_S4,3 für pH 4,3

Basenkapazität: Pufferkapazität bei Basenzugabe; Quotient aus Stoffmenge an Hydroxidionen, die von einer bestimmten Wassermenge bis zum Erreichen bestimmter pH-Werte aufgenommen werden kann, und dem Volumen des Wassers in mmol/l. k_B8,2 für pH 8,2

Wie wird die Säurekapazität bezeichnet? als Alkalinität oder Säurebindungsvermögen

Säurekapazität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Wassers, Säuren zu neutralisieren, ohne dass sich der pH-Wert signifikant ändert

Säurekapazität ist ein wichtiger Indikator für die Pufferkapazität eines Wassers gegen pH-Schwankungen, die durch Säurezugaben verursacht werden.

Definition Säurekapazität gibt an, wie viel Säure (meistens quantifiziert als Äquivalente von H+-Ionen) ein Wasser aufnehmen kann, bevor ein bestimmter pH-Wert (häufig pH 4,3 für die Säurekapazität bis pH 4,3, KS4,3) erreicht wird.

Elektrische Leitfähigkeit ist ein Maß für: dissozierte Kationen, Anionen

EC- Bereiche für unterschiedl. Wässer (in Siemens, S/m)

Reines Wasser: Von 0,0000055 - 0,0005

Trinkwasser: 0,05

TrinkwV2001: 0,279

Regenwasser 0,003

Meerwasser 5

Ionenstärke determiniert die Leitfähigkeit des Wassers. Sie entspricht der Hälfte der Summe der mit dem Quadrat der Ladungen der Ionen

gewichteten Konzentrationen der einzelnen Ionen.

I = 1/2 ∑ ci * zi^2

Ein zweifach geladenes Ion trägt im Vergleich zu einem einwertigen Ion den vierfachen Beitrag zur Ionenstärke bei. (Ca2+ vierfach, wegen z^2)

Dissoziation im Wasser, Beschreibung der Zerfallsprozesse von Molekülen zu Ionen im Wasser, einschließlich der Reaktionen von Natriumchlorid, Natronlauge und Kohlensäure. NaCl

Natronlauge

H2CO3

Kohlensäure im Wasser:

Die Kohlensäure ist nicht isolierbar, da sie direkt in die energetisch günstigere Form von CO2 und H2O zerfällt.

Daher liegt die Kohlensäure entweder als hydratisiertes Kohlendioxid (CO2) oder als eine der Dissoziationsstufen der Kohlensäure vor.

Die Lage der Reaktionsgleichgewichte, d.h. der Anteil der einzelnen Kohlensäureformen CO2, HCO3- und CO32- an der Konzentrationssumme, ist von der Temperatur und besonders vom pH-Wert abhängig.

Zerfall, Dissoziation von Kohlensäure im Wasser:

Zerfall in energetisch günstigere Form: H2CO3

Kohlensäure

Dissoziation der Kohlensäure im Wasser:

H2CO3

Kohlensäure

H2CO3

Diagramm der Dissoziationsformen der Kohlensäure im Wasser:

• verschiedenen Dissoziationsformen von Kohlensäure im Wasser und wie sich ihre Anteile in Abhängigkeit vom pH-Wert verändern.

1. Titel und Achsenbeschriftungen:
   • Der Titel „Dissoziationsformen der Kohlensäure im Wasser“ gibt an, dass es um die chemischen Gleichgewichtsformen der Kohlensäure in wässriger Lösung geht.
   • Die Y-Achse ist logarithmisch skaliert und zeigt den Anteil der Kohlensäureformel (in Prozent).
   • Die X-Achse zeigt den pH-Wert des Wassers.
2. Kurvenverlauf:
   • Die rote Kurve zeigt die Änderung der vorherrschenden Form der Kohlensäure (CO2, HCO3^- bzw. CO3^2-) mit dem pH-Wert. Bei niedrigem pH-Wert (sauer) liegt vorwiegend hydratisiertes Kohlendioxid (CO2) vor. Mit steigendem pH-Wert wird dieses zu Hydrogencarbonat (HCO3^-) und schließlich zu Carbonat (CO3^2-).
3. Kritische pH-Werte:
   • Die Grafik weist spezifische pH-Werte aus (pH=pK1, pH=(pK1+pK2)/2, pH=pK2), welche die Punkte darstellen, an denen jeweils 50% der Gesamtkonzentration einer Form erreicht sind. Diese Punkte sind kritisch für das Verständnis, wie Kohlensäure in Abhängigkeit von der Wasserqualität reagiert.
4. chem. Formeln:
   • Auf der rechten Seite sind Gleichungen, die die Umwandlung von Kohlensäure (H2CO3) in ihre verschiedenen Formen (CO2 + H2O, HCO3^- + H^+, CO3^2- + H2O) zeigen.
5. Zusätzliche Informationen:
   • Die Grafik markiert die pH-Werte 4,3 und 8,2, welche spezielle Punkte für das Verhalten und die Verfügbarkeit von hydratisiertem Kohlendioxid darstellen.
   • „Nahrungsquelle für org.“ könnte sich auf die Bedeutung von Carbonat und Hydrogencarbonat für biologische Prozesse beziehen. Auswirkung Säure-Base-Status von Wasser auf die Verfügbarkeit verschiedener Kohlenstoffformen, die für biologische und chemische Prozesse wichtig sind.

Berechnung Säurekapazität k_s4,3: spiegelt den Gehalt an Hydrogencarbonat-Ionen wider. Sie ist ein Maß für den Gehalt an gebundener Kohlensäure im Wasser, Wasser im basischen Bereich - Neutralisation vorhandener Hydroxidionen (OH-) H+ + OH-

H+ + HCO3-

Die Säurekapazität bis pH-Wert 4,3 kann auch errechnet werden: Ks4,3 = c(OH-) + 2c(CO32-) + c(HCO3-) - c(H+) [mmol/l] -> KS4,3 =~ c(HCO3-) [mmol/l]

Basenkapazität Formel:

Die Basenkapazität bis pH-Wert 4,3 ist:

K_B 4,3 =~ c(H+) [mmol/l]

Die Basenkapazität bis pH-Wert 8,2 ist: K_B 8,2 = Kb = c(H+) + c(CO2) - c(HCO3-) - c(OH-) [mmol/l] KB 8,2 =~ c(CO2) [mmol/l]

Kohlensäure im Wasser, Schemata:

1. freie Kohlensäure (Kosä), gebund. Kosä

2. freie Kosä: Aggr. Kosä (calcitlösend, korrosiv) Kohlendioxid CO2 (Führt zu Korrosion/ raus holen), Zugehör. Kosä Kohlendioxid CO2

2. gebundene Kosä: halbg. Kosä (Hydrogencarbonat) HCO3-, ganz. geb. Kohlensäure (Carbonation) CO32- Stehen im Gleichgewicht: [Zugehör. Kosä, halbgeb. Kosä, ganz geb. Kosä] Kohlendioxid (aus zugehör. Kosä) und Hydrogencarbonat - hält Ca(HCO3-) bzw. Mg(HCO3-) in Lösung (Ca2+, Mg2+: Härtebildner. Diese im Gleichgewicht zu Kohlensäure (HCO3-) z.B. Ca(HCO3-)2 Karbonathärte permanente Härte, Cl-

Basenkapazität, Puffer Die Basekapazität K_B 8,2 ist ein Maß für den Gehalt an freier Kohlensäure. Sie zeigt, wie viel Säure das Wasser aufnehmen kann, bevor ein bestimmter pH-Wert erreicht wird, und ist daher ein Indikator für die Pufferkapazität des Wassers gegenüber Basenzugaben.

Kohlensäure und Wasserhärte Härtebildende Erdalkali-Ionen (zweiwertige Kationen):

• Calcium (Ca²⁺)
• Magnesium (Mg²⁺) {- Barium (Ba²⁺)- Strontium (Sr²⁺)} Bindungspartner (Ca2+,Mg2+)
• Mineralsäurehärte[
  • Salze wie Nitrat (NO₃⁻), Chlorid (Cl-), Sulfat (SO₄²⁻), permanente Härte (nicht einfach etwas entgegenzusetzen) Bindungspartner (Ba2+,Sr2+) -Karbonathärte[  -Säure: Hydrogen-Carbonat-Ionen (HCO₃⁻), temporäre Härte, leichter

Rechnerische Bestimmung der Säurekapazität: 1 mmol/l Ks4,3 entspricht 0,5 mmol/l Ca(HCO3)2: 0,5 mmol/l = 0,5 * 40 mg/l Ca Dies bedeutet, dass 1 mmol/l Säurekapazität bei einem pH von 4,3 äquivalent zu 0,5 mmol/l Calciumhydrogencarbonat ist.

• Gesamthärte minus Carbonathärte = permanente Härte
• Berechnung: 0,5 * (40 + 16) mg CaO/l = 28 mg CaO/l = 2,8 °dH
• Umrechnung: mmol/l * 2,8 = °dH

Rechnerische Bestimmung der Basenkapazität:

• 1°dH entspricht 10 mg/L CaO 1mmol/l KB 8,2 = 1 mmol CO2/l Dies bedeutet, dass 1 mmol/l Basekapazität bei einem pH von 8,2 äquivalent zu 1 mmol/l Kohlendioxid (CO2) ist.
• Gemessener Wert für Ca²⁺ und dessen Molekulargewicht: 40 mg/l
  • CO₂ berechnen: 1 mmol CO₂/l = (12 + 2 * 16 mg CO₂)/l = 44 mg CO₂/l KB 8,2 [mmol/l] * 44 = CO2 freie Kohlensäure in mg/l

Analyse der Kohlensäure im Wasser: Calcit-Sättigung wird bestimmt durch das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht, berechnet nach Strohecker und Langelier (DIN 38404 Teil 10):

• pH-Sättigung = pK* - log C(Ca²⁺) - log C(HCO₃⁻) + log f_L,
• pK* = temperaturabhängige Konstante
• f_L = Korrekturfaktor in Abhängigkeit der Ionenstärke (Ionengehalt) Calcit-Sättigung Die Calcit-Sättigung beschreibt das Gleichgewicht zwischen gelöstem Calcium (Ca²⁺), Bicarbonat (HCO₃⁻) und freier Kohlensäure im Wasser. Dieses Gleichgewicht ist wichtig, um die Tendenz des Wassers zu beurteilen, entweder Kalk abzusetzen oder Kalk zu lösen.

Kohlensäure im Wasser, Calcit-Sättigung Die Calcit-Sättigung beschreibt das Gleichgewicht zwischen gelöstem Calcium (Ca²⁺), Bicarbonat (HCO₃⁻) und freier Kohlensäure im Wasser. Dieses Gleichgewicht ist wichtig, um die Tendenz des Wassers zu beurteilen, entweder Kalk abzusetzen oder Kalk zu lösen.

Berechnung nach Strohecker und Langelier

Formel:

 pH_Sättigung = pK^* - lg C(Ca^2+) - lg C(HCO_3-) + lg f_L

• pK* Temperaturabhängige Konstante, die das Dissoziationsgleichgewicht von Kohlensäure beschreibt.
• log C(Ca²⁺) Logarithmus der Konzentration von Calcium-Ionen im Wasser.
• log C(HCO₃⁻) Logarithmus der Konzentration von Bicarbonat-Ionen im Wasser.
• log f_L Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der Ionenstärke (Ionengehalt) des Wassers.

Erläuterungen:

• pK* Diese Konstante variiert mit der Temperatur und ist entscheidend für die Berechnung des Sättigungs-pH-Wertes.
• Ionenstärke (Ionengehalt): Die Ionenstärke des Wassers beeinflusst die Aktivität der Ionen und somit die Löslichkeit von Calcit. Der Korrekturfaktor lg f_L passt die Berechnung entsprechend an.

Anwendung:

Die Berechnung des Sättigungs-pH-Wertes pH_Sättigung hilft dabei, das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht zu bestimmen:

• pH_Sättigung < pH des Wassers:** Das Wasser neigt dazu, Kalk abzusetzen (kalkabscheidend).
• pH_Sättigung> pH des Wassers:** Das Wasser neigt dazu, Kalk zu lösen (kalklösend). Diese Berechnung ist ein wichtiges Werkzeug in der Wasseraufbereitung und -analyse, um Korrosion und Kalkablagerungen zu vermeiden.

Sicherstellung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts nach TrinkwV (Trinkwasserverordnung. DIN): pH-Wert Säurekapazität bis pH 4,3, Delta pH Entsäuerung, Basekapazität bis pH 8,2 Wesentliche Härtebildner: Calcium (Ca²⁺), Magnesium (Mg) zusätzlich: Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Chlorid (Cl⁻), Sulfat (SO₄²⁻), Nitrat (NO₃⁻), Phosphat (PO₄³⁻) beeinflussen EC

pH-Wertberechnungen zur Ermittlung des Sättigungs-pH-Wertes nach Strohecker und Langelier, bezogen auf die Basistemperatur.Sicherstellung des Kalk-Kohlensäure Gleichgewichts nach TrinkwV Zahlenwert L1 aus Tabellenwert von der Leitfähigkeit und Ionenstärke: ---𝑝𝐻𝐿 = 𝐿1 + 𝐿2 − log 𝑐 (𝐻𝐶𝑂3−) − log 𝑐(𝐶𝑎2+)--- 𝐿1 = 𝑇𝑎𝑏𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑤𝑒𝑟𝑡 (𝐿𝑒𝑖𝑡𝑓äℎ𝑖𝑔𝑘𝑒𝑖𝑡, 𝐼𝑜𝑛𝑒𝑛𝑠𝑡ä𝑟𝑘𝑒) 𝐿2 = 𝑇𝑎𝑏𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛𝑤𝑒𝑟𝑡 (𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟

Um das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (KKG) sicherzustellen, sind in der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) folgende Forderungen festgehalten: Anforderungen bei unterschiedlichen Werkstoffen: Metallische oder zementhaltige Werkstoffe (außer passive Stähle): Im pH-Bereich von 6,5 - 8,0 darf der pH-Wert des abgegebenen Wassers nicht unter dem pH-Wert der Calciumcarbonat-Sättigung liegen. Faserzementwerkstoffe: Im pH-Bereich von 6,5 - 9,5 darf der pH-Wert des abgegebenen Wassers nicht unter dem pH-Wert der Calciumcarbonat-Sättigung liegen. Toleranzbereich: Eine Unterschreitung des unteren pH-Wertes um 0,2 bleibt jedoch außer Betracht. Diese Anforderungen zielen darauf ab, das Gleichgewicht zwischen gelöstem Calcium, Bicarbonat und Kohlensäure zu wahren, um die Korrosion von Rohrleitungen und anderen Werkstoffen sowie Kalkablagerungen zu verhindern.

Weitere Informationen zur Kalk-Kohlensäure und Wasserhärte: Erdalkali-Ionen wie Calcium und Magnesium sind Hauptverursacher der Wasserhärte. Härtebildende Ionen und deren Bindungspartner wie Sulfat, Chlorid und Hydrogen-Carbonat-Ionen tragen zur permanenten und temporären Härte bei.

ENTSäUERUNG, Definition

• Als Entsäuerung wird die Entfernung überschüssiger Kohlensäure bezeichnet.
• Liegt der pH-Wert eines Wassers unterhalb des Sättigungs-pH-Wertes, so ist die freie Kohlensäure im Überschuss vorhanden. Das Wasser wirkt kalklösend und kann:
  • bei faserzementhaltigen Werkstoffen Asbestfasern freisetzen
  • aus metallischen Werkstoffen Schwermetalle lösen
  • die Bildung schützender Deckschichten verhindern

Technische Möglichkeiten der Entsäuerung

• Entsäuerung durch Ausgasen von Kohlenstoffdioxid
  • Physikalischer bzw. mechanischer Verfahrensansatz.
  • Die freie Kohlensäure wird aus dem Wasser durch Gasaustausch/Strippung entfernt.
  • Anwendungsgebiet: hauptsächlich Grundwasser
• Filtration über basisches Filtermaterial / Dosierung basischer Stoffe
  • Zugabe einer Chemikalie.
  • Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht kann durch die Erhöhung des Gehaltes an Calcium-Ionen oder durch chemische Bindung der Kohlensäure erreicht werden.
  • Anwendungsgebiet: hauptsächlich Oberflächenwasser/weiche Wasser, da diese oft schlecht gepuffert sind.

MECHANISCHE ENTSÄUERUNG, Der Gasaustausch/Strippung

• Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem in einer Flüssigkeit gelöste Gase durch Desorptionsvorgänge in die Gasphase extrahiert werden. Das Verfahren basiert auf dem Henryschen Gesetz / dem Henry-Dalton-Gesetz.
• Das Gesetz besagt, dass die Konzentration eines Gases in einer Flüssigkeit direkt proportional zum Partialdruck des entsprechenden Gases über der Flüssigkeit ist. Die Proportionalität wird durch die Henry-Konstante ausgedrückt.
• Ein Gasaustrag aus dem Wasser ist nur dann möglich, wenn die Konzentration des gleichen Gases in der Umgebungsluft niedrig gehalten wird, d. h. wenn genügend Frischluft herangeführt wird, um das notwendige Konzentrationsgefälle zu sichern.

Henrysches Gesetz Partialdruck p = Henry-Konstante k_H,pc * Konzentration in der Lösung cl Henry-Konstante kH in mmol/(L*bar) bei T = 25°C: Gase: Stickstoff N2: 0,642 Sauerstoff O2: 1,27 Methan CH4: 1,34 Kohlendioxid CO2: 33,8 Schwefelwasserstoff H2S: 102,2 Ammoniak NH3: 59,880

Der Gasaustausch/Strippung, weitere Betrachtung:

• Der Gasaustausch verläuft nach der e-Funktion, d. h. die Konzentrationsänderungen sind anfangs sehr groß, nähern sich dann aber sehr langsam und asymptotisch den Endwerten.
• Die Einstellung der nach TrinkwV max. zulässigen Calcitlösekapazität von 5 mg/l durch CO2-Ausgasung ist deshalb bei weichen Rohwässern nicht möglich bzw. wirtschaftlich und erfordert u.U. eine chemische Restentsäuerung.
• Unterbleiben sollte aber auch eine zu intensive Belüftung harter Wasser, da dann der Sättigungs-pH-Wert überschritten wird und Kalkausfall eintritt.

Voraussetzungen für die mechanische Entsäuerung (Gasaustausch/Strippung) sind eine möglichst große Oberfläche und das Erzeugen einer Turbulenz.

Verfahrenstypen mechanische Entsäuerung (Gasaustausch/Strippung) Verdüsung

• Offene (drucklose) Belüftung
• Kaskadenbelüftung
• Verrieselung
• Wellbahnbelüftung
• Kreisel- oder Propellerbelüftung
• Siebbodenbelüftung, INKA-Belüftung

Unterscheidungskriterien für den Gasaustausch Verteilung Luft und Wasser

• Wasser in Tropfenform verteilt
• Luft in Blasenform verteilt im Wasser
• Rieselfilm Strömungsführung
  • Gleichstrom
  • Gegenstrom
  • Kreuzstrom    *Mischformen von Gleich-, Gegen- und Kreuzstrom Strömungsrichtung *Aufwärtsströmung *Abwärtsströmung *Horizontale Strömung Zuführung der Luft *Zwangszuführung der Luft *Selbstansaugung der Luft Stufenanzahl der Apparates *Einstufig *Mehrstufig Prozessdruck *Arbeitsweise unter Atmosphärendruck *Druck kleiner als Atmosphärendruck *Druck größer als Atmosphärendruck

MECHANISCHE ENTSÄUERUNGSVERFAHREN - BEISPIELE - -Verfahren des Gasaustausches mittels Verdüsung-

• Es wird ein Reaktionsraum bereitgestellt
• Die zu erzielende Tröpfchengröße beträgt < 1mm
• Die Verdüsung erfolgt mit einem natürlichen Luftaustausch
• Es ist zehnfacher Wechsel der Luft pro Stunde vorzusehen
• Es entsteht eine korrosive Atmosphäre durch den Austrag von CO2 und unter Umständen auch Schwefel. Es sollten Materialien wie Edelstahl, Kunststoff ohne Weichmacher oder Beton eingesetzt werden. Beschreibung System: Zulauf mit Belüfter: Das Rohwasser wird in das System eingespeist. Dabei wird dem Wasser durch einen Belüfter Luft zugeführt, um den Gasaustausch zu fördern. Verdüsung: Das Wasser wird über eine Sprühvorrichtung verteilt, wodurch feine Tröpfchen entstehen. Diese Tröpfchen vergrößern die Oberfläche des Wassers, was den Gasaustausch effizienter macht. Gasaustausch: In diesem Bereich findet der Hauptteil des Gasaustauschs statt. Die große Wasseroberfläche durch die Tröpfchenbildung ermöglicht eine effektive Entfernung von gelösten Gasen aus dem Wasser. Entgasungsbecken: Das entgaste Wasser sammelt sich in einem Becken, wo verbleibende Gase weiter entweichen können. Überlauf und Ablauf: Das behandelte Wasser verlässt das System durch zwei Leitungen. Der Überlauf sorgt dafür, dass überschüssiges Wasser abgeführt wird und der Wasserstand im System konstant bleibt. Abluft: Die Luft, die zur Belüftung und Verdüsung des Wassers genutzt wurde, wird abgeleitet. Diese Abluft enthält die aus dem Wasser entfernten Gase.

-Wellbahnbelüfter im Gleichstromverfahren-

• Kunststoffbahnen mit 3 bis 5 m Höhe
• Dünner Wasserfilm auf der Wellbahn und Zerstäubung auf der Wellbahnoberfläche, Turbulenz
• Das herabfließende Wasser reißt die 3- bis 5-fache Gasmenge mit
• Sättigungsdruck in Bezug auf O2 bis 80% wird erreicht
• Frischluftzufuhr im Quer- oder im Gegenstrom (Wellbahnen auf Rieslerpaket) Beschreibung System: Rohwasserzulauf: Das unbehandelte Wasser wird in das System eingeleitet. Frischluftzufuhr: Frische Luft wird in das System eingebracht, um den Gasaustausch zu unterstützen. Dies erfolgt durch eine separate Leitung, die mit einem Ventil ausgestattet ist. Umluft: Ein Teil der bereits verwendeten Luft wird im System wiederverwendet. Diese Umluft wird ebenfalls durch eine separate Leitung mit einem Ventil zurückgeführt. Lochblech: Das Wasser wird über ein perforiertes Blech verteilt. Dieses Blech hilft dabei, das Wasser in kleine Tropfen zu zerlegen, was die Oberfläche des Wassers vergrößert und somit den Gasaustausch verbessert. Kunststoffwellbahnprofile: Nach dem Lochblech fließt das Wasser über wellenförmige Kunststoffprofile. Diese Profile sorgen dafür, dass das Wasser in einer dünnen Schicht fließt, was ebenfalls die Oberfläche vergrößert und den Gasaustausch weiter verbessert. Entgasungszone: In dieser Zone findet der eigentliche Gasaustausch statt. Die große Oberfläche und die Frischluftzufuhr ermöglichen es, gelöste Gase aus dem Wasser zu entfernen. Abluft: Die Luft, die das System durchströmt und die gelösten Gase aufnimmt, wird über eine separate Leitung abgeleitet. Diese Leitung ist ebenfalls mit einem Ventil ausgestattet. Entgasungsbecken: Das entgaste Wasser sammelt sich in einem Becken, wo es weiterverarbeitet oder gelagert werden kann. Belüftetes Wasser: Schließlich wird das behandelte, entgaste Wasser als belüftetes Wasser aus dem System abgeleitet und steht für weitere Anwendungen zur Verfügung. In diesem System wird das Rohwasser mit frischer Luft und Umluft in Kontakt gebracht, während es über verschiedene Strukturen fließt, die seine Oberfläche maximieren. Dies erleichtert den Gasaustausch und die Entfernung unerwünschter Gase aus dem Wasser, bevor es als belüftetes Wasser das System verlässt.

Inka-Belüftung Zulauf: Das System beginnt mit einem Zulauf, durch den das zu behandelnde Wasser in das System eintritt. Luftzufuhr: Eine Luftzufuhrleitung führt frische Luft in das System ein. Die Luftzufuhr wird durch einen Ventilator oder eine ähnliche Vorrichtung unterstützt, um den Luftstrom zu gewährleisten. Schaumbett: Das Wasser wird in ein Schaumbett geleitet. Dieses Schaumbett besteht aus einem Siebboden und arbeitet im Kreuzstromprinzip. Das bedeutet, dass das Wasser horizontal durch das Schaumbett fließt, während die Luft vertikal aufsteigt. Gasaustausch: Innerhalb des Schaumbetts kommt es zum Gasaustausch. Die Luft, die durch das Schaumbett strömt, entfernt unerwünschte Gase aus dem Wasser. Luftrückführung: Die verwendete Luft wird teilweise zurückgeführt, um den Prozess effizienter zu gestalten und den Bedarf an frischer Luft zu reduzieren. Abluft: Überschüssige Luft, die die gelösten Gase aus dem Wasser aufgenommen hat, wird aus dem System abgeleitet. Sickerwasser: Das behandelte Wasser, nun als Sickerwasser bezeichnet, fließt aus dem Schaumbett in einen unteren Bereich des Systems, wo es gesammelt wird. Ablauf: Schließlich wird das behandelte Wasser über einen Ablauf aus dem System geführt. Insgesamt beschreibt das Inka-Belüftungssystem einen Prozess, bei dem Wasser durch ein Schaumbett geleitet wird, um mittels Luftzufuhr gelöste Gase zu entfernen. Die Luftrückführung und Abluftleitungen tragen zur Effizienz des Systems bei, während das Sickerwasser als gereinigtes Wasser das System verlässt.

Gasaustauschanlagen Auslegungskriterien vergleicht die Effizienz und den Energieverbrauch der verschiedenen Gasaustauschverfahren und zeigt, welches Verfahren für spezifische Anforderungen am besten geeignet ist. Gasaustauschverfahren: Dies sind die verschiedenen Methoden zur Belüftung und Entgasung von Wasser: INKA-Belüftung Kaskadenbelüftung Wellbahnbelüftung (zwei Einträge: einmal für Gleichstrom- und einmal für Gegenstrombelüftung) Turmverdüsung Oberflächenbeschickung (m³/h): Diese Spalte gibt die Menge des Wassers an, das pro Stunde über eine bestimmte Oberfläche verteilt wird. INKA-Belüftung: 15-30 Kaskadenbelüftung: 50-250 Wellbahnbelüftung (Gleichstrom): 300-700 Wellbahnbelüftung (Gegenstrom): 100-400 Turmverdüsung: 45 Energiebedarf (Wh/m³): Diese Spalte zeigt den Energieverbrauch pro Kubikmeter Wasser. INKA-Belüftung: 100 Kaskadenbelüftung: 10-30 Wellbahnbelüftung (Gleichstrom): 10 Wellbahnbelüftung (Gegenstrom): 26-40 Turmverdüsung: 130 CO2-Austrag (%): Diese Spalte gibt an, wie viel Prozent des im Wasser gelösten CO2 durch die jeweilige Methode entfernt wird. INKA-Belüftung: 80-95% Kaskadenbelüftung: 60-80% Wellbahnbelüftung (Gleichstrom): 50-90% Wellbahnbelüftung (Gegenstrom): 95-98% Turmverdüsung: 80% Zusätzliche Informationen für Wellbahnbelüftung: Gleichstrombelüftung und Gegenstrombelüftung: Diese Begriffe beziehen sich auf die Richtung des Luftstroms relativ zur Wasserrichtung. Bei der Gleichstrombelüftung fließen Wasser und Luft in die gleiche Richtung, bei der Gegenstrombelüftung fließen sie in entgegengesetzte Richtungen.

CHEMISCHE ENTSÄUERUNG - FILTRATION -Filtration über basisches Filtermaterial

• Filtration über Calciumcarbonat CaCO3   CaCO3 + CO2 + H2O → Ca²⁺ + 2HCO3⁻
• Calcium, um Kohlensäure aufzunehmen

CHEMISCHE ENTSÄUERUNG - FILTRATION * Filtration über halbgebrannten Dolomit

-CaCO3*MgO

CaCO3*MgO + 3CO2 + 2H2O

CHEMISCHE ENTSÄUERUNG - FILTRATION - Filtration über Jurakalk

• Mit der Filtration über Jurakalk oder Marmor kann nicht über das KKG hinaus entsäuert werden.
• Kalkstein erfordert relativ lange Kontaktzeiten und somit ein mehrfaches an Filterraum als halbgebrannter Dolomit. Die Verbrauchsmengen liegen ebenfalls doppelt so hoch.
• Der Einsatzbereich ist auf sehr weiche Wasser mit geringem CO2-Überschuss begrenzt (Ks4,3 < 2 mmol/l (ca. 6° KH)). Verbrauchsmaterial verschwindet, muss nachgefüllt werden. |V| |--| |R|

Filtration über dolomitische Materialien

• Die Reaktionszeit ist fast unabhängig vom Gehalt an freier Kohlensäure und beträgt 10 bis 20 Minuten.
• Der Raum- und Materialbedarf ist wesentlich geringer als bei der Filtration über Jurakalk/Marmor, allerdings sind die Materialkosten ca. 10 x höher.
• Das Verfahren ist wirtschaftlich bis Ks, p + 2KCO3 = 2,5 mmol/l. Liegt der Wert darüber, ist es zweckmäßig, zur Neutralisation ein Gasaustauschverfahren vorzuschalten.
• Mit dem Verfahren kann in gewissem Umfang auch enteisent und entmangant werden.

Filtration über alkalische Materialien-Auslegung -Reaktionsmenge muss ständig vorhanden sein und gewährleistet Kontaktzeit -Verbrauchsmenge: Bindet aggressives CO2 und muss nachgefüllt werden z.B. Dolomit. Mat. M_V = (1.3 * CO2_aggr. (mg/l) * t_B (h) * Q (m³/h)) / (10^6 * γ (Mg/m³)) Variablenbeschreibung:

• M_V: Gesamtmenge des entfernten CO2 (Masse).
• CO2_aggr.: Aggregierter CO2-Gehalt im Wasser, gemessen in Milligramm pro Liter (mg/l).
• t_B: Betriebszeit in Stunden (h).
• Q: Volumenstrom des Wassers in Kubikmetern pro Stunde (m³/h).
• γ: Spezifisches Gewicht des verwendeten Materials (in Megagramm pro Kubikmeter, Mg/m³, wobei 1 Mg = 1 Tonne). -Aufhärtung: Jura Kalk 0,13 ºdH/mg CO2 gebunden, Dolomitisches Mat. 0,1 ºdH/mg CO2 gebunden

CHEMISCHE ENTSÄUERUNG, Zugabe basischer Stoffe

• Dosierung von Calciumhydroxid Ca(OH)2 als Kalkpulver, Kalkmilch oder Kalkwasser   Ca(OH)2 + 2CO2
• Dosierung von Natriumhydroxid NaOH als Natronlauge (selten, teuer)   NaOH + CO2
• Dosierung von Natriumcarbonat Na2CO3 als Natriumcarbonatlösung.

Berechnen Sie die förderliche Anzahl von Filtern und die Betriebsstunden. Berechnungsbeispiel: DOLOMITFILTER Folgende Informationen sind gegeben:

• Wassermenge (Q): 500 m³/h
• Gehalt aggr. CO2: 5 mg/l
• Filterradius: 1,50 m
• Höhe Filterbett (h): 2,00 m
• Schüttmasse (γ): 1,20 Mg/m³
• Benötigte Reaktionsmenge: 0,15 m³/(m²*h)
• Verbrauch: 25 % bis zum Auffüllen mit dolomitischem Material Formel zur Berechnung der Gesamtmenge des entfernten CO2: M_V = (1.3 * CO2_aggr. (mg/l) * t_B (h) * Q (m³/h)) / (10^6 * γ (Mg/m³)) Schritt 1: Berechnung der erforderlichen Reaktionsmenge (M_R)
• Angabe der Raumbelastung: 0,15 m³/(m²*h) Formel: M_R = Q (m³/h) * Raumbelastung (m³/m²/h) Berechnung: M_R = 500 * 0,15 = 75 m²
• Verbrauch: 25 % bis zum Auffüllen mit dolomitischem Material Berechnung: V_erf = 75 m³ / 0,75 = 100 m³ Schritt 2: Berechnung der Filterfläche
• Höhe Filterbett (h): 2,00 m Formel: V_erf / h = 100 m³ / 2 m = 50 m² = A_erf Schritt 3: Berechnung der Anzahl der Filter
• Filterradius: 1,5 m Formel: A_Filter = π * r² = 3,14 * 1,50² = 7,1 m² Formel zur Anzahl der Filter: A_erf / A_Filter = 50 m² / 7,1 m² = 7,04 Filter
• Gewählte Anzahl (n+1) => 8 Filter Schritt 4: Betriebsdauer bis zum Wiederauffüllen Formel zur Berechnung des vorhandenen Volumens: A_vorhanden = 8 * 7,1 m² pro Filter = 56,8 m² Formel zur Berechnung des Volumens: V_vorhanden = 2 * 56,8 m² = 113,6 m³
• Bei 25 % Nachfüllen Berechnung: V_nachfüllen = 0,75 * 113,6 m³ = 85,2 m³ V_verbrauch = 113,6 - 85,2 = 28,4 m³ Formel zur Berechnung der Gesamtmenge des entfernten CO2: M_V = (1.3 * CO2_aggr. (mg/l) * t_B (h) * Q (m³/h)) / (10^6 * γ (Mg/m³)) Berechnung: M_V = (1.3 * 5 * t(h) * 500) / (10^6 * 1,2) Berechnung: M_V = 28,4 m³ Berechnung der Betriebsdauer: t_B = (28,4 * 10^6 * 1,2) / (1.3 * 5 * 500) t_B = 10486 h = 436 d Die ermittelte Betriebsdauer beträgt 436 d

ENTHÄRTUNG

Kohlensäure und WasserhärteHärtebildende Erdalkali-Ionen (zweiwertige Kationen):

• Calcium (Ca2+), - Magnesium (Mg2+)
• Barium (Ba2+), - Strontium (St2+)

Kohlensäure und Wasserhärte, MineralsäurehärteSalze:

• Nitrat (NO3-)
• Chlorid (Cl-)
• Sulfat (SO42-) permanente Härte

Kohlensäure und Wasserhärte, KarbonathärteSäure:

• Hydrogen-Carbonat-Ionen (HCO3-) temporäre Härte

Enthärtung: vollständige oder nur teilweise Entfernung von Ca2+ und Mg2+

Gründe für eine Enthärtung?

• Anstieg der Härte im Rohwasser
• Kesselsteinbildung: gestiegene Anzahl von Warmwasseranlagen und wasserverbrauchenden Geräten im Haushalt
• Bildung von Kalkseifen beim Waschen
• Bei dezentraler Enthärtung wird Regeneriersalz produziert. Daher wird zunehmend eine zentrale Enthärtung durchgeführt, vor allem bei Rohwässern mit über 20 ºdH Gesamthärte.
• DVGW: Generell sollte man die Frage einer zentralen Enthärtung dann prüfen, wenn die Wasserhärte 3,8 mmol/l (entspricht etwa 21ºdH) überschreitet.

Informationen zur Härte

Umrechnungen zur Härte:

• 1 ºdH = 10 mg CaO/l
• 1 mmol/l = 5,6 ºdH
• 1ºdH = 0,1786 mmol/l
• 1ºdH = 0,1786 mmol/l * 56 mg/mmol = 10 mg CaO/L
• 1ºdH = 0,1786 mmol/l * 100 mg/mmol = 17,86 mg CaCO3/L

Enthärtungsverfahren: wichtige DVGW-Angaben

• Der technische Aufwand für eine zentrale Enthärtung ist im Allgemeinen nur gerechtfertigt, wenn die Calciumkonzentration dadurch deutlich verringert wird, das heißt mindestens um etwa 1 mmol/l (5,6 ºdH).
• Andererseits sollte nach den vorliegenden Erfahrungen als untere Schwelle der Enthärtung eine Säurekapazität bis pH = 4,3 von 1,5 mmol/l und eine Calciumkonzentration von 0,5 mmol/l (20 mg/l) nicht unterschritten werden.

Maßgebliche EnthärtungsverfahrenGasaustausch

• Ausblasen von CO2 bis zum Kalkausfall Fällung
• Kalkfällung
• Kalk-Soda-Verfahren
• Langsamentcarbonisierung
• Schnellentcarbonisierung Ionenaustausch
• Na-Ionenaustauscher
• H-Ionentauscher
• Carix Verfahren Membranverfahren
• Nanofiltration
• Umkehrosmose

Enthärtung durch intensiven Gasaustausch

• Durch Belüftung wird die freie Kohlensäure bis unterhalb des Gleichgewichtszustands aus dem Wasser ausgetrieben, sodass Calciumcarbonat ausfällt.
• Starke Absenkung der CO2-Konzentration, sodass ein stark kalkabscheidendes Wasser entsteht.
• Reaktoren sind Belüftungsbecken, INKA-Belüfter, Wellbahnbelüfter oder Füllkörperkolonnen mit zwischengeschalteten Reaktionsbecken zur Ausfällung.
• Es entsteht ein erheblicher Belüftungsaufwand aber dafür keine Zugabe von Chemikalien bzw. Zusatzstoffen.
• Diese Methode eignet sich vor allem bei harten Wässern.
• Es entstehen nur geringere Reststoffmengen. Formel:
• Ca(HCO3)2 → CaCO3 + 2H2O + CO2

Wasserenthärtung durch Fällung

• Ca2+ und Mg2+ werden durch ein Enthärtungsmittel in wasserunlösliche Verbindungen überführt.
• Reaktionszeit: ca. 1,5 bis 2,5 h.
• Resthärte: ca. 0,1 bis 0,2°dH.
• Verwendete Fällungsmittel:
  • Calciumhydroxid (Kalkhydrat) Ca(OH)2
  • Natriumcarbonat (Soda) Na2CO3
  • Natriumhydroxid (Natronlauge) NaOH
  • Trinatriumphosphat Na3PO4

Enthärtung durch Fällung

• Durch das Ausfällen findet zeitgleich eine Entcarbonisierung (Entcarbonatisierung) des Wassers statt.
• Dabei handelt es sich um eine Verminderung der Karbonathärte (vollständige/teilweise Entfernung von Hydrogencarbonat und der gebundenen Härtekomponenten Mg2+ und Ca2+) und führt daher zu einer Teilenthärtung. Formel:
• Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3 + 2 H2O (CaCO3 als feste Phase)

Komponenten der Kalkenthärtung:

• Dosierpumpe
• Rührwerk
• Rohwasser
• Kalkzuteiler
• Kalksilo
• Kalksättiger Schlammablauf, Spülleitung und Entleerung pH-Korrektur, Filteranlage, enthärtetes Wasser (Weichwasser)

Beschreibung der Kalkenthärtung/Langsamentcarbonisierung, Schematische Darstellung Der Ablauf des Enthärtungsprozesses kann wie folgt beschrieben werden:

1. Rohwasser:
   • Das unbehandelte Wasser (Rohwasser) wird in das System eingeführt.
2. Dosierpumpe:
   • Eine Dosierpumpe fördert das Rohwasser in das System.
3. Kalksilo:
   • Im Kalksilo wird das benötigte Kalkmaterial gelagert.
4. Kalkzuteiler:
   • Der Kalkzuteiler gibt das Kalkmaterial in das Mischsystem ab.
5. Rührwerk:
   • Im Rührwerk wird das Kalkmaterial mit dem Rohwasser vermischt.
6. Kalksättiger:
   • Die Kalklösung wird in einem Kalksättiger hergestellt und weitergeleitet zum Reaktor.
7. Reaktor:
   • Der Reaktor ist der Hauptbehälter, in dem die Reaktion zur Enthärtung stattfindet. Hier fallen die Härtebildner als Schlamm aus. Das enthärtete Wasser wird zur Filteranlage weitergeleitet.
8. Schlammablauf:
   • Der ausgefallene Schlamm wird über einen Schlammablauf aus dem Reaktor entfernt.
9. Spülleitung:
   • Eine Spülleitung ermöglicht die Reinigung des Reaktors.
10. Entleerung:
    • Der Reaktor kann vollständig entleert werden.
11. Filteranlage:
    • Das enthärtete Wasser durchläuft eine Filteranlage, um verbleibende Feststoffe zu entfernen.
12. pH-Korrektur:
    • Nach der Filtration wird eine pH-Korrektur durchgeführt, um den pH-Wert des Weichwassers zu regulieren.
13. Weichwasser:
    • Das resultierende Weichwasser wird dann weiterverwendet oder in das Versorgungssystem eingespeist. Diese Darstellung visualisiert die einzelnen Schritte und Komponenten des Kalkenthärtungsprozesses und zeigt, wie das Rohwasser zu Weichwasser aufbereitet wird.

Wasserenthärtung durch Kalk-Soda-Verfahren

• Durch den Zusatz von Kalk wird zunächst der Carbonathärteanteil des Calciums und Magnesiums umgesetzt.
  • Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2 CaCO3 + 2 H2O
  • MgCO3 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaCO3
• Anschließend fällt durch Soda die Nichtcarbonathärte (z. B. CaSO4) aus.
  • CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4 CaSO4: permanente Härte
• Für die meisten Wässer anwendbar, vor allem für Wässer mit hoher Carbonathärte.

ENTHÄRTUNG - IONENAUSTAUSCH wie bei Entsalzung

Enthärtung durch Membranverfahren Nutzung von „dichten“ Membranen:

• Nanofiltration (Entfernung von zweiwertigen Ionen wie Ca2+ und Mg2+)
• Umkehrosmose (Enthärtung und Nitrat-Entfernung (Entsalzung)) Betriebliche Aspekte:
• Keine stoffspezifische Selektivität
• Es bietet sich eine Teilstrombehandlung an (insb. UO).
• Membranen nicht rückspülbar, Fouling- und Scaling-Effekte sind zu beachten.
• Wohin mit Permeat/Konzentrat?

Enthärtung mittels Nanofiltration,Wichtige betriebliche Aspekte:

• Keine Selektivität: Elimination ALLER 2- und 3-wertigen Anionen und Kationen.

• Anfall eines zu entsorgenden Retentats/Konzentrats: bis zu 20% Qin.

• Senkung des pH-Wertes: nachfolgende Entsäuerung erforderlich.

• Anfällig gegenüber Rohwassertrübungen wegen nicht vorhandener Möglichkeit der Rückspülung.

• Es tritt in der Regel Scaling auf, sodass die Zugabe von Antiscalants erforderlich werden kann.

• Ferner kann (Bio)Fouling auftreten.

• Entcarbonatisierung: Vollständige/teilweise Entfernung von Hydrogencarbonat und der gebundenen Härtekomponenten Mg2+ und Ca2+ und führt daher zu einer Teilenthärtung.

• Mögliche Verfahren der Entcarbonisierung sind:

  • Entcarbonisierung durch Säureimpfung
  • Langsamentcarbonisierung
  • Schnellentcarbonisierung

Entcarbonisierung durch Säureimpfung

• Zugabe einer starken Mineralsäure zu hydrogencarbonationenhaltigem Wasser.
• Verdrängung des Hydrogencarbonats aus den Verbindungen mit den Erdalkaliionen.
• Das freigesetzte Kohlenstoffdioxid liegt noch gelöst im Wasser vor und es muss ggf. eine Entsäuerung vorgenommen werden. Formeln:
• Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2O + 2CO2
• Ca(HCO3)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2H2O + 2CO2

Langsamentcarbonisierung

• Zugabe alkalischer Stoffe, zumeist Calciumhydroxid: 1ºdH sind 20,85 mg/l an Ca(OH)2 erforderlich.
• Hohe hydraulische Flexibilität.
• Geringe Ablauftrübung.
• Mitfällung von (Schwer-)Metallen möglich, u.a. Verringerung von Eisen und Mangan.
• Hoher Chemikalienbedarf und Schlammanfall gemäß der stöchiometrischen Umsetzung.
• Großer Flächenbedarf.
• Filtration des Ablaufs des Reaktors erforderlich.
• Anfällig gegenüber Kristallisationshemmern wie bspw. Phosphaten, Eisen und Huminstoffen.

Schnellentcarbonisierung

• Es handelt sich hier um einen Schwebebettreaktor, kleiner Fußabdruck.
• Es werden Calciumhydroxid als Kalkmilch oder Natronlauge zugegeben.
• Weiterhin werden Quarzsand, seltener Kalkstein- oder Granitsand der Körnung 0,5–1 mm zugesetzt, sodass sich SCHNELL das ausscheidende unlösliche Calciumcarbonat in Form von Körnern aufbauen kann.
• Der in körniger Form anfallende Kalk wird unten aus dem Reaktor entnommen.

SchnellentcarbonisierungBetriebliche Aspekte:

• Eingeschränkte hydraulische Flexibilität: Durchsatzschwankungen sind zu vermeiden.
• Hoher Chemikalienbedarf und Anhebung des pH-Wertes.
• Anfällig gegenüber Kristallisationshemmern.
• Im Anschluss Filtration erforderlich.

Beschreibung des Diagramms: Schnellentcarbonisierung mit Pellet-Bildung

Der Ablauf des Prozesses und die Hauptkomponenten sind wie folgt:

1. Staubfilter:
   • Entfernt Staubpartikel aus dem System.
2. Sackzerreiß- und Einfüllvorrichtung:
   • Hier werden Säcke mit Kalkmilch geöffnet und die Kalkmilch in das System eingefüllt.
3. Kalkmilchrührbehälter:
   • Der Kalkmilch wird im Rührbehälter mit Rohwasser vermischt.
4. Kalkmilchdosierpumpe:
   • Die Dosierpumpe fördert die Kalkmilch in den Reaktor.
5. Rohwasser:
   • Das unbehandelte Wasser (Rohwasser) wird in das System eingeführt und mit Kalkmilch vermischt.
6. Reaktor:
   • Im Reaktor findet die Hauptreaktion statt, bei der Calciumcarbonat als Pellets ausfällt. Der Reaktor ist mit einer Entlüftung ausgestattet, um überschüssiges Gas abzuführen.
7. Kommasse-Entleerung:
   • Die entstandenen Pellets (Kalkkommasse) werden aus dem Reaktor entnommen.
8. Schnellsandfilter:
   • Das Wasser aus dem Reaktor wird durch einen Schnellsandfilter geleitet, um verbleibende Feststoffe zu entfernen. Der Filter ist ebenfalls mit einer Entlüftung ausgestattet.
9. Spülflut:
   • Der Schnellsandfilter kann gespült werden, um ihn zu reinigen.
10. Phosphatdosierung:
    • Es wird Phosphat dem Wasser zugesetzt, um die Korrosion in den Leitungen zu verhindern.
11. Reinwasser und Spülwasser:
    • Das behandelte Wasser wird als Reinwasser abgeführt. Spülwasser wird zur Reinigung des Systems verwendet.
12. Probenentnahme oben und unten:
    • An verschiedenen Stellen des Systems können Wasserproben entnommen werden, um die Qualität und Zusammensetzung des Wassers zu überprüfen. Diese Darstellung illustriert den Prozess der Schnellentcarbonisierung, bei dem Kalkmilch zur Fällung von Calciumcarbonat verwendet wird. Der Prozess endet mit der Bildung von Kalkpellets und der Filtration des Wassers zur Entfernung von Feststoffen.

Beschreibung des Diagramms: Schnellentcarbonisierung mit Pellet-Bildung, Wirbelbettreaktor

Die Hauptkomponenten und der Ablauf des Prozesses sind wie folgt:

1. Hartes Wasser (hard water):
   • Das harte Wasser, das behandelt werden soll, wird in den unteren Teil des Reaktors eingeführt.
2. Kalkmilch (lime water):
   • Kalkmilch wird ebenfalls in den unteren Teil des Reaktors eingespeist, um mit dem harten Wasser zu reagieren.
3. Keimungsmaterial (seeding grains):
   • Kleine Partikel dienen als Keimungsmaterial für die Bildung von Pellets. Diese werden in das Wirbelbett eingebracht.
4. Wirbelbett (homogeneous fluidised bed):
   • Im Wirbelbett findet die Reaktion statt. Das harte Wasser reagiert mit der Kalkmilch, wodurch Calciumcarbonat (CaCO3) als feste Pellets ausfällt. Die Pellets wachsen im Wirbelbett durch kontinuierliche Anlagerung von Calciumcarbonat.
5. Pelletbildung (CaCO3 - Pellets):
   • Das Calciumcarbonat fällt als Pellets (Kalkpellets) aus, die im unteren Teil des Reaktors gesammelt werden.
6. Enthärtetes Wasser (softened water):
   • Das enthärtete Wasser steigt im Reaktor auf und verlässt den Reaktor durch einen Abfluss im oberen Bereich. Die schematische Darstellung veranschaulicht, wie das harte Wasser mit der Kalkmilch im Wirbelbettreaktor reagiert, um Calciumcarbonat-Pellets zu bilden und das Wasser zu enthärten.

Gründe für eine Entsalzung

• Zu hoher Gehalt an Nitrat: Anpassung an gesetzliche Grenzwerte. (Eintrag mineralische und wirtschaftliche Dünger) Nitratwerte in Grundwasserbrunnen bildet Stand von über 30 Jahren ab.
• Vermeidung von Korrosion, Schaumbildung, Eindickung
• Fehlende Rohwasserquelle und daher Nutzung von Meerwasser erforderlich (Meerwasser hat einen durchschnittlichen Salzgehalt von 3,5 %)

Ansatz für eine Entsalzung

• In mehr oder weniger großem Umfang werden die Konzentrationen aller Salze reduziert (Chlorid-, Sulfat- und Nitratentfernung).

Technische Möglichkeiten der Entsalzung

• Ionenaustausch
• Membranverfahren
• Biologische Prozessansätze

Ionenaustausch-Prinzip

• Physikalisch-chemisches Verfahren, bei dem die Fähigkeit eines festen Materials genutzt wird, bestimmte Ionen zu adsorbieren und im Austausch eine weitere äquivalente Anzahl von Ionen freizusetzen.
• Die Fähigkeit des Ionenaustauschs ist durch die Struktur des Materials gekennzeichnet, dessen anorganische oder organische Matrix eine positive oder negative Überladung aufweist.
• Zur Erhaltung der Elektroneutralität muss dies durch eine angemessene Anzahl von Ionen mit entgegengesetzter Ladung kompensiert werden. Dieser Austausch ist nur zwischen Ionen mit ähnlicher Ladung möglich.
• Natürliche Ionentauscher sind z.B. Tonmineralien, heute werden vor allem Kunstharzprodukte eingesetzt (hochporöse, kugelförmige, unlösliche Polymerprodukte).

Ionentauscher, Kation- und Anionentauscher: Die Kationentauscher entfernen positiv geladene Ionen (z.B. H+ oder Na+), während die Anionentauscher negativ geladene Ionen (z.B. OH-) entfernen.

Technische Konzeption des Ionenaustausches

• Druckfester Kessel: Durchflussgeschwindigkeit etwa 2–10 m/h, von oben nach unten durchströmt.
• Die Füllung sind unlösliche, feste Kunstharze mit der Körnung 0,5 bis 2 mm.
• Es besteht eine hohe Beständigkeit des Filtermaterials gegenüber vielen chemischen Substanzen.
• Die Aufnahmefähigkeit eines Austauschers wird als Kapazität bezeichnet. Die nutzbare Kapazität in äquivalenter Menge g CaO/l angegeben.
• Die Volumenbelastung ist das Verhältnis stündlicher Durchfluss Qh zu Volumen des Austauschermaterials.
• Der Regenerationsgrad ist die Chemikalienmenge, welche zum Regenerieren von 1 m³ Austauschermaterial benötigt wird.

Austauschkapazität/Aufnahmefähigkeit

• Dient der Bezifferung der Absorptionsfähigkeit von Ionen.
• Die Kapazität ist die Anzahl der austauschbaren Ionen pro Volumeneinheit oder Masseneinheit des Ionentauschers (cmol/L Harzbett oder cmol/kg Trockenharz).
• Der typische Wert liegt im Bereich von 200 - 600 cmol/L.
• Die nutzbare Kapazität (NK) beträgt in der Regel 50-70 % der Gesamtkapazität.

Was kann man mit dem Ionenaustausch erreichen?

• Teilentsalzung und Vollentsalzung
• Kationentauscher zur Enthärtung
• Entcarbonisierung
• Entkieselung (Entfernung von Kieselsäure/Siliciumdioxid)
• Entfernung von Nickel, Selen, Uran

Enthärtung durch Ionenaustausch

• Kationenaustauscher: die Ca- und Mg-Ionen des Rohwassers werden durch Na-Ionen des Austauschers ersetzt.
• Regenerierung des K-Austauschers mit Kochsalz, Abprodukte Calciumchlorid und Magnesiumchlorid.
• Im Reinwasser verbleibt doppelkohlensaures Natron NaHCO3, Glaubersalz Na2SO4, Kochsalz NaCl, Kieselsäure SiO2.
• Ihre Anwendung zur zentralen Enthärtung ist mehr nicht zulässig, wenn sie mit Natriumchlorid regeneriert werden.

Ionentauscher – Betriebsweise und Regeneration-Diagramm zeigt den Prozess der Regeneration eines Ionentauschers. Es zeigt, wie Calciumionen durch Natriumionen ersetzt werden und umgekehrt. Zwei Hauptschritte werden dargestellt: Betrieb und Regeneration. Während des Betriebs werden Calciumionen aus dem Wasser durch Natriumionen im Harz ersetzt. Während der Regeneration werden die Calciumionen im Harz durch ein Überangebot an Natriumionen ersetzt.

Durchbruchskurve für einen Ionenaustauschprozess Ein Diagramm zeigt die Konzentration im Ablauf in Abhängigkeit vom Volumen der behandelten Flüssigkeit. Es stellt die Durchbruchskurve dar, die den Punkt markiert, an dem die Ionenkonzentration im Ablauf signifikant ansteigt.

Ionentauscher: Enthärtung und Entcarbonisierung

• 2 Kationenaustauscher.
• Entcarbonisierung im ersten Kationenaustauscher, Regenerierung mit Salzsäure HCl.
• Restenthärtung im zweiten Kationenaustauscher, Regenerierung Kochsalz.
• Abprodukte der Regenerierung Calcium- und Magnesiumchlorid.
• Im Reinwasser verbleiben Glaubersalz Na2SO4, Kochsalz NaCl, Kieselsäure SiO2.
• Abschließend Entfernung aggressiver Kohlensäure notwendig.

Ionentauscher - Schema zeigt die schematische Darstellung eines Kationen- und eines Anionentauschers. Die Kationentauscher entfernen positiv geladene Ionen (z.B. H+ oder Na+), während die Anionentauscher negativ geladene Ionen (z.B. OH-) entfernen. Darüber hinaus kann zwischen stark und schwach sauren bzw. stark und schwach basischen Ionentauschern unterschieden werden.

IONENAUSTAUSCH, (TEIL)ENTSALZUNG MIT DEM CARIX-VERFAHREN (Firma Wabag)

• CARIX-Ionenaustauschverfahren steht für "CArbon dioxide Regeneration of Ion eXchange": Aufbereitungsziele: Entcarbonisierung und Teilentsalzung.
• Das CARIX-Verfahren ist ein speziell entwickeltes Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung, das gleichzeitig zur Entcarbonisierung und Reduktion von Mineralsäureanionen SO4^2-, Cl- und NO3- dient.
• Die Teilentsalzung ist möglich durch die Kombination eines schwachen Säuretauschers und eines starken Basentauschers, die als Mischbett eingesetzt wird.
• Dabei absorbiert der Anionentauscher HCO3- und der Kationentauscher Ca2+-Ionen.
• Der Austausch findet auf Harzpartikeln mit einem Durchmesser von ca. 1 mm statt. Im Ionenaustausch des CARIX-Prozesses werden die gelösten Salze in Kohlendioxid umgewandelt. CO2 abgabe, Salzaufnahme.

CARIX-Ionenaustauschverfahren

• Kationen-Austauscher: Austausch von Calcium- und Magnesium-Ionen gegen Wasserstoff-Ionen; Abgabe von H+
• Anionen-Austauscher: Entnahme von Sulfat, Nitrat- und Chlorid-Ionen (Beladung mit HCO3-, dann Abgabe von HCO3-, gleichzeitige Entsäuerung) bei Eintrag von Hydrogencarbonat-Ionen.

CARIX-Regeneration zeigt die chemischen Reaktionen während der Regeneration des CARIX-Ionenaustauschers. CO2 und H2O reagieren zu H2CO3, welches sich in H+ und HCO3- aufspaltet. Die Reaktionen zwischen Kationen und Anionen werden detailliert beschrieben.

• CO2 + H2O -> H2CO3
• H2CO3 -> H+ + HCO3-
• RK2-Ca2+ + 2H+ -> 2RK-H+ + Ca2+ und RA+NO3- + HCO3- -> RA+HCO3- + NO3-

CARIX-Verfahren (Firma Wabag/Veolia)

• Das Hauptmerkmal des Prozesses ist die Reversibilität, die Umkehrung der Austauschrichtung und die Regenerierbarkeit mit Kohlendioxid.
• Zur Herstellung von Kohlensäure (H2CO3) wird CO2 unter Druck in unbehandeltem Rohwasser gelöst und anschließend als Regenerationsmittel für den Ionentauscher verwendet.
• Diese Lösung eliminiert die absorbierten Ionen aus dem Harz. Nach der Regeneration kann der Filter wieder beladen werden und der Zyklus beginnt von neuem.
• Vor Einspeisung als Trinkwasser ist eine Entsäuerung notwendig.
• Das entnommenes Regenerations-Eluat ist uU ohne Nachbehandlung einleitbar.

CARIX-Verfahrensaufbau- Diagramm Der CARIX-Verfahrensaufbau zeigt ein komplexes System zur Wasseraufbereitung, insbesondere zur Entfernung von Schadstoffen aus Rohwasser. Das Schema illustriert die verschiedenen Schritte und Komponenten, die in diesem Prozess verwendet werden.

1. Zulauf Rohwasser: Das unbehandelte Rohwasser wird in das System eingeleitet.
2. Rohwasser-Bläser: Ein Radial-Ventilator sorgt für die Belüftung und Durchmischung des Rohwassers. Dies unterstützt die Entfernung von gelösten Gasen und erhöht die Effizienz der nachfolgenden Filterstufen.
3. Filter 1: Filtration: Das Wasser durchläuft den ersten Filter, wo grobe Partikel und Verunreinigungen entfernt werden.
4. Filter 2: Filtration: Der zweite Filter entfernt feinere Partikel und weitere Verunreinigungen, die im ersten Filter nicht abgefangen wurden.
5. Filter 3: Regeneration: In dieser Stufe werden die Filtermedien regeneriert, um ihre Aufnahmekapazität für Verunreinigungen wiederherzustellen.
6. Eluat-Entgaser: Das Eluat, welches die während der Regeneration entfernten Schadstoffe enthält, wird durch den Entgaser geleitet, um gelöste Gase zu entfernen.
7. CO2-Speicher: Das entfernte CO2 wird in einem speziellen Speicher gesammelt. Dieser Schritt ist wichtig, um die CO2-Konzentration im aufbereiteten Wasser zu kontrollieren.
8. Regenerierpumpe: Diese Pumpe sorgt für die Umwälzung und Regeneration der Filtermedien.
9. CO2-Tank: Der CO2-Tank speichert das während des Entgasungsprozesses entfernte CO2 und führt es dem System bei Bedarf wieder zu.
10. Eluat-Vakuumpumpe: Diese Pumpe entfernt das Eluat aus dem System und stellt sicher, dass die während der Regeneration entfernten Schadstoffe ordnungsgemäß entsorgt werden.
11. Blasenspeicher: Der Blasenspeicher dient zur Speicherung des aufbereiteten Wassers, das frei von den ursprünglichen Verunreinigungen ist.
12. Reinwasserpumpwerk: Schließlich wird das gereinigte Wasser in den Reinwasserspeicher gepumpt, von wo aus es weiterverwendet oder verteilt wird. Zusammengefasst stellt das CARIX-Verfahren ein umfassendes System zur Wasseraufbereitung dar, das durch verschiedene Filtrations- und Regenerationsstufen die Entfernung von Schadstoffen gewährleistet. Es umfasst auch Mechanismen zur Entfernung und Speicherung von CO2, um die Wasserqualität zu optimieren.

ENTSALZUNG- UMKEHROSMOSE - Rein physikalisches Verfahren, das gegen den osmotischen Druck durch eine Membran die Flüssigkeit unter hohem Druck führt.

• Die semipermeable Membran ist nur für das „Solvent“ passierbar, aber nicht für die „Solutes“.
• Abtrennung einwertiger und mehrwertiger Ionen, damit deutliche Senkung des Härtegrads und Reduzierung des Salzgehaltes.
• Aber auch möglich: Reduzierung der Keimzahl, von Pestiziden und Herbiziden sowie von Kohlenwasserstoffen.
• Einsatz in der Meerwasserentsalzung. Konzentrationsgefälle, Gefälle möchte einen Ausgleich zum niedrigeren Druck (geringerer Konzentration) erreichen: osmotischer Druck gegen den osmotischen Druck (1000m Wassersäule) durch Membran, nur Lösungsmittel, bzw. voll entsalztes Wasser. (Reinwasser, Permeat) Bei Nitrat muss nur ein Teilstrom behandelt werden.

Umkehrosmose - Diagramm beschreibt das Umkehrosmose-Verfahren. Es zeigt, wie Flüssigkeit unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran geführt wird, die nur für das Lösungsmittel passierbar ist, nicht jedoch für die gelösten Stoffe. Die Abtrennung einwertiger und mehrwertiger Ionen wird gezeigt, ebenso wie die deutliche Senkung des Härtegrads und die Reduzierung des Salzgehalts. Es wird auch die Reduzierung der Keimzahl sowie von Pestiziden, Herbiziden und Kohlenwasserstoffen dargestellt.

Beispiele der Meerwasserentsalzung mittels UO: Sorek Israel: Aufbereitungskapazität 624.000 m³/d (2013, Kosten 400 Mio USD)

• Ashkelon Israel 365.000 m³/d (2005)
• Barcelona Llobregat 200.000 m³/d (2009) – 20% der Bevölkerung wird mit diesem Wasser versorgt.
• Vorbehandlung mittels DAF – Festbett-Schwerkraftfiltration, Festbett-Doppelmedium-Druckfiltration sowie Endfiltration mit Patronenfiltern.
• Nutzung von 10 Membranblöcken einschl. Energierückgewinnung (Druckaustauscher).
• REMINERALISIERUNG erforderlich mit CO2 und Kalksteinschichten.
• Energiebedarf bis zu 4.5 kWh/m³ Trinkwasser.
• Ab einer Anlagengröße von 10.000 m³/h ist der Betrieb eines eigenen Kraftwerkes gerechtfertigt.

Ionentauscher – Harzperlen - Bild zeigt Harzperlen, die in einem Ionentauscher verwendet werden. Die Harzperlen sind kugelförmig und hochporös, was ihre große Oberfläche und Effektivität im Ionenaustauschprozess erklärt.

Eisen und Mangan im Wasser sind in der Erdrinde weit verbreitet EISEN: 2-wertig gut löslich, 3-wertig schlecht löslich MANGAN: 2-wertig gut löslich, 4-wertig schlecht löslich Wie das Eisen/Mangan im Wasser (Grundwasser) vorliegt, ist abhängig vom Redoxpotential (Sauerstoffgehalt im Wasser)

Eisen im Wasser, 2-wertige Eisen-Ionen können im Wesentlichen als folgende Salze in natürlichen Wässern vorkommen: Eisenhydrogencarbonat: Fe(HCO3)2 Eisenchlorid: Fe(Cl)2 Eisensulfat: FeSO4 Eisennitrat: Fe(NO3)2

Mangan im Wasser, 2-wertige Mangan-Ionen können im Wesentlichen als folgende Salze in natürlichen Wässern vorkommen: Manganhydrogencarbonat: Mn(HCO3)2 Manganchlorid: Mn(Cl)2 Mangansulfat: MnSO4 Mangannitrat: Mn(NO3)2

Gründe für die Enteisenung und Entmanganung Einschränken des Fördervermögens durch Eisen- und Manganablagerungen in den Leitungen Gefahr von Wiederverkeimung (in Totzonen im Rohe, wo kein Wasser fließt) Färbung / Trübung Geschmacksbeeinträchtigung Hinterlassen von Verunreinigungen (z. B. fleckige Wäsche) Einschränkung der industriellen Nutzung

Grenzwerte für Eisen und Mangan TVO Grenzwert/ EU Grenzwert/ EU Richtwert/ WHO Eisen [mg/l] 0,2/ 0,2/ 0,05/ 0,3 Mangan [mg/l] 0,05/ 0,05/ 0,02/ 0,1

Enteisenungs- und Entmanganungsverfahren, Wie können die Gehalte an Eisen- und Mangan reduziert werden? CHEMISCHE ENTEISENUNG

BIOLOGISCHE ENTMANGANUNG

Membranverfahren (Nanofiltration / Umkehrosmose) in-situ Enteisenung und Entmanganung Entmanganung: Filtration über dolomitische Materialien/Kalkentcarbonisierung

Chemische Enteisenung (Elimination 2-wertigen gelösten Eisens): Zur Oxidation der Eisen-Ionen reicht Luftsauerstoff aus. Wesentlichen Einfluss auf die Bildung des unlöslichen Eisen-III-hydroxids hat der pH-Wert des Wassers (pH > 5,5 besser > 6,0) 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O -> 4Fe(OH)3 + 8CO2 4FeCl2 + O2 + 10H2O -> 4Fe(OH)3 + 8HCl (Salzsäure, Auswirkungen auf pH-Wert)

Dimensionierung der chem. Enteisenung Die chemische Enteisenung verläuft nicht spontan, sondern erfordert, trotz der kontaktkatalytischen Beschleunigung im Kiesfilter, einer längere Reaktionszeit. Berechnung nach Velten und Holluta qA = (h * O2) / (C * dm * (26,31 - T °C)) qA: maximal zulässige Filtergeschwindigkeit (m/h) h: Filterbetthöhe (m) O2: Sauerstoffkonzentration im BELÜFTETEN Wasser (mg/l) dm: mittlerer Filterkorndurchmesser (mm) T: Temperature (°C) Diagramm zeigt die Beziehung zwischen der Filtergeschwindigkeit (c) und der Eisenkonzentration im Wasser (p(Fe2+)/mg/l) für verschiedene pH-Werte (pH 6,5 bis pH 7,5). Höhere pH-Werte ermöglichen höhere Filtergeschwindigkeiten bei gleicher Eisenkonzentration.

Trinkwassertalsperren stehendes Wasser tief, oben Algen, unten Abbau organischer Substanzen im Sommer arbeiten die oberen und unteren Schichten autark unten- Sauerstoffarmut, Mangan und Eisen im unteren Wasser

Chemische Entmanganung Luftsauerstoff reicht auch hier aus. Wesentlichen Einfluss auf die Bildung des unlöslichen Eisen-III-hydroxids hat der pH-Wert des Wassers (pH > 9,0), vorher Entsäuerung, sehr selten eingestellt 2MnCl2 + O2 + 4H2O -> 2MnO(OH)2 + 4HCl, Manganoxidhydroxid Oxidation, von gelöst zu ungelöst ->Phasenseperation 4MnO(OH)2 + 4HCl -> 2MnO2 + 2H2O Mangan(IV)-oxid Da pH-Werte über 9 im Trinkwasser nicht zu erwarten sind und auch nicht angestrebt werden, ist eine chemische Entmanganung in der Praxis nicht zu erwarten (Ausnahme Kalkentcarbonisierung mit Entmanganung).

BIOLOGISCHE Entmanganung Entmanganung OHNE pH-Wertveränderung des Wassers Filter mit zu Beginn vorgenommener Dosierung von Kaliumpermanganatlösung Die Einarbeitungszeit dauert zwischen 2-3 Monaten. Während dieser Einarbeitungszeit überzieht sich das Filtermaterial mit Braunstein. Danach kann die Dosierung von Kaliumpermanganatlösung langsam zurückgenommen werden. Dann findet selbstgängig eine Entmanganung statt. Warum, weiß man noch nicht genau! Die Entmanganungsleistung wird aufgehoben, wenn mit chloriertem Wasser rückgespült wird (Vorgang also offensichtlich mit biologischer Mitwirkung) Der Braunsteinbelag lässt sich NICHT abspülen, sodass immer wieder neues Filtermaterial eingearbeitet werden muss

Biologische Vorgänge Enteisenung und Entmanganung In Filtern, in denen Enteisenung und Entmanganung stattfinden soll, ist folgendes zu beachten: Die beiden Prozesse laufen nacheinander ab: Im oberen Teil: CHEMISCHE kontaktkatalytische Enteisenung In den tieferen Teil: BIOLOGISCHE Entmanganung (eben wahrscheinlich auf biologischen Ursachen beruhend) Es bietet sich an, die Prozesse zu separieren. Die Standzeit von Entmanganungsfiltern ist sehr lang, sodass hier erhebliche Spülwassergewinne erzielt werden können.

Gründe für eine Desinfektion Das Trinkwasser muss frei von Krankheitserregern sein. Die Desinfektion ist der letzte Schritt im Wasserwerk, um ein hygienisch einwandfreies Wasser herzustellen. Die heute (in Deutschland) eingesetzten Desinfektionsverfahren dienen als letzte „Barriere“ und erfüllen nicht den Zweck, ein unter Umständen hoch belastetes Wasser zu desinfizieren. Etwa die Hälfte aller deutschen Wasserversorgungsanlagen kommt ohne ein Desinfektionsverfahren aus. Es liegen aber auch Erreger vor (Cryptosporidium parvum und Giardia lamblia), die sich einer klassischen Desinfektion entziehen, weil sie in Aggregate und Schleim (Klümpchen) eingebettet sind. Depotwirkung bei Verteilung möglich

Größe wasserassoziierte Krankheitserreger Mikroorganismen, Größenbereich (μm) Entero-Viren 0,03 - 1,0 Coliforme Bakterien 1 – 4 Cryptosporidium 3 – 7 Giardia 7 – 15 Viren Größenbereich, (nm) Adeno 80 Hepatitis E 27-34 Corona 80-160 Polio 30 Rota 65-75 Hepatitis A 27

Desinfektionsverfahren Chlorung: Hypochlorite, Chlorgas, Chlordioxid, Chlorelektrolyse Ozonierung (starkes Oxidationsmittel) UV-Bestrahlung (physikalisch) Silberung (zu teuer) Wasserstoffperoxid (starkes Oxidationsmittel) Thermische Desinfektion Langsamsandfiltration (Rückhalt pathogener, aber nicht zugelassen)

Chlorung Unterscheidung: unterchlorige Säure: ;Hypochlorite: Natriumhypochlorit (Chlorbleichlauge), Calciumhypochlorit (Chlorkalk) ;Chlorgas

• Chlordioxid
• Chlorelektrolyse

DESINFEKTION, Chlorgas Weit verbreitetes Verfahren Sehr toxisches Gas: Arbeitssicherheit Gebinde - Fässer mit flüssigem Chlor Die Chlorgasmasse, die einem Behälter entnommen werden kann, beträgt bei 15 °C Raumtemperatur ca. 1%/h. Besteht ein höherer Bedarf, sind mehrere Gebinde zu nutzen. Die max. Dosierung liegt bei 1,2 g/m³ Die Dosiermenge an Chlorgas beträgt in der Regel zwischen 0,3–1,0 g/m³ Wasser Der Grenzwert von 0,3 g/m³, berechnet als freies Chlor, soll nach der Aufbereitung nicht überschritten werden. An der entferntesten Verbrauchsstelle soll noch eine Chlor-Restmassenkonzentration von ca. 0,1 g/m³ nachweisbar sein.

Chlorgasverfahren: Cl2 + H2O -> HCl + HOCl (Unterchlorige Säure) HOCl -> H+ + OCl- (Hypochlorition) Die Desinfektionswirkung basiert auf der unterchlorigen Säure und ihrer chemischen Einwirkung auf Fermente. HOCl durchdringt die Zellmembranen und oxidiert die Fermente. Bei Ph über 8 nimmt Leistung ab. Die Desinfektionswirkung des Hypochloritions beträgt nur noch ca. 1–2% derjenigen der unterchlorigen Säure. Die hypochlorige Säure reagiert mit Ammoniak und Aminen zu Chloraminen (empfohlene Konzentration NH4+ < 0,1 mg/l).

Chlordissoziation und pH-Wert Ein Diagramm zeigt die Dissoziation von Chlor in Abhängigkeit vom pH-Wert: Cl2 zwschen pH von 0-2, HOCl von 2 bis 7, ClO- von 7/8 bis 12+ in den Bereichen !ungefähr! relativ hoher Anteil (>50%) Die prozentuale Verteilung der Chlorverbindungen bei verschiedenen pH-Werten wird gezeigt.

Nicht zulässig “Knickpunktchlorung” Überschreitet der Chlorzusatz den Knickpunkt, dann spricht man von Knickpunktchlorung. Erst nach vollständiger Oxidation der Amine (Stoffe reagiern mit Chlor) steigt die Konzentration an freiem Chlor im Wasser wieder an. Am Knickpunkt: alles wegoxidiert aus dem Wasser, dennoch toxische Produkte Nach Durchlaufen des Maximums bildet sich ein geringerer Chlorüberschuss trotz höherem Chlorzusatz. Chloramine reagieren mit dem zusätzlichen Chlor, bilden Stickstoff und Chlorid und reduzieren damit den freien Chlorgehalt.

Chlorverfahren Gefahr der Bildung von Chloraminen (z.B. Monochloramin NH2Cl) und Distickstoffmonoxid N2O. Chlorung zur Desinfektion über den Hochpunkt hinaus ist heute verboten. Es besteht ferner die Gefahr der Bildung krebserregender Trihalogenmethane (z.B. Chloroform).

DESINFEKTION, Hypochlorite - Chlorbleichlauge NaOCl, d.h. eine 15%ige Natriumhypochloritlösung entsprechend DIN 19608 verwendet, die ohne großen apparativen Aufwand mit Dosierpumpen zugegeben werden kann. Natriumhypochlorit kann auch vor Ort durch Elektrolyse von Salzsole (oder auch Meerwasser) erzeugt werden. Höhere Kosten als bei Cl2 (ca. 40 mal), deswegen Einsatz überwiegend dort, wo kein Cl2 zur Verfügung steht. NaOCl + H2O -> NaOH + HOCl (Unterchlorige Säure)

Hypochlorite - Chlorkalk

Wird in fester Form (Tabletten, Granulat, Pulver) eingesetzt, ist ca. 10 mal teurer als Cl2, Haupteinsatz: Notfälle. CaOCl + H2O -> CaOH + HOCl (Unterchlorige Säure)

DESINFEKTION- CHLORDIOXID - ist ein stechend riechendes, orange/gelbes Gas, das sehr reaktionsfähig ist und explodieren kann. Oxidationskraft etwa 25 mal größer als die von Chlor. Das Verfahren wirkt pH-Wert-unabhängig. Dosiermenge an Chlordioxid bei der Entkeimung beträgt max. 0,4 g/m³ Wasser, je nach Gehalt an organischer Substanz. Die Kontaktzeit sollte wenigstens 30 Minuten betragen. Keine kanzerogenen Nebenprodukte, aber Entstehung von Chlorit möglich. Der Grenzwert von 0,2 g/m³, berechnet als Chlordioxid, sollte nach der Aufbereitung nicht überschritten werden. Gute Depotwirkung: ClO2 im Rohrnetz stabiler als Chlor.

Herstellung von Chlordioxid Wegen der Explosionsgefahr wird ClO2 immer vor Ort hergestellt und im flüssigen Aggregatzustand verarbeitet. NaClO2 + Cl2 -> NaCl + 2ClO2

Komponenten einer Chlordioxid-Anlage Chlorgas, Säure, Verdünnungswasser, Vorratsbehälter, ClO2 Lösung, Dosiervorrichtung, Wasser, Reaktor, Lösewasser, Natriumchlorit

Beschreibung des Diagramms des Prozesses einer Chlordioxid-Anlage, die zur Herstellung und Dosierung von Chlordioxid (ClO₂) verwendet wird. Komponenten und Prozessfluss:

1. Eingang von Chlorgas, Säure und Natriumchlorit:
   • Chlorgas: Wird in den Reaktor eingespeist.
   • Säure: Wird ebenfalls in den Reaktor eingespeist.
   • Natriumchlorit: Eine weitere Zutat, die in den Reaktor geleitet wird.
2. Lösewasser: Dieses Wasser wird in den Prozess eingespeist, um die Reaktionen zu unterstützen.
3. Reaktor: Hier findet die chemische Reaktion zwischen Chlorgas, Säure und Natriumchlorit statt, um Chlordioxid zu erzeugen.
4. Verdünnungswasser: Nach der Reaktion im Reaktor wird Verdünnungswasser hinzugefügt, um die Konzentration der Chlordioxid-Lösung zu regulieren.
5. Vorratsbehälter: Die erzeugte Chlordioxid-Lösung wird in einem Vorratsbehälter gesammelt. Hier wird die Lösung für die weitere Verwendung zwischengespeichert.
6. Dosierverrichtung: Von dem Vorratsbehälter wird die Chlordioxid-Lösung über eine Dosierverrichtung in das zu behandelnde Wasser eingespeist.

Fluss des Prozesses:

• Chlorgas, Säure und Natriumchlorit werden in den Reaktor geleitet, wo sie unter Zugabe von Lösewasser reagieren.
• Die erzeugte Chlordioxid-Lösung wird durch Verdünnungswasser reguliert und in den Vorratsbehälter geleitet.
• Von dort aus wird die Lösung mittels einer Dosierverrichtung ins Wasser eingespeist, um die gewünschte Desinfektionswirkung zu erzielen. Dieses Schema zeigt den gesamten Herstellungs- und Dosierprozess von Chlordioxid, das als Desinfektionsmittel in der Wasseraufbereitung verwendet wird.

Ozonierung ist bisher aufgrund der hohen Kosten in der Trinkwasserentkeimung wenig verbreitet. Großer Raumbedarf im Vergleich zu anderem Desinfektionsverfahren. Es bestehen hohe apparative Kosten im Vergleich zu den anderen üblichen und ohne besonderen Einrichtungen einsetzbaren Desinfektionsmitteln. Die gereinigte und getrocknete Luft wird in Platten oder Röhrenozonisatoren zwischen Hochspannungselektroden hindurchgeführt. Die Elektrodenspannung beträgt zwischen 6000 und 24000V, die Frequenz 50–500Hz. Die Luft muss gut getrocknet sein, um eine ausreichende Elektrodenhaltbarkeit und Ozonausbeute zu erzielen. Zur Desinfektion von 1m³ Wasser sind je nach Wasserverunreinigung ca. 0,5–2,0 g O3 erforderlich. Die Einwirkungsdauer muss ≥ 4 Minuten sein. Nach 4 Minuten sollten noch 0,3–0,4 g/m³ nachweisbar sein. Der Abbau makromolekularer organischer Verbunden zu oxidierten Fragmenten führt zu einer Erhöhung des Aufkeimungspotenzials des Trinkwassers (Bildung biologisch abbaubarer Verbindungen (Oxidationsprodukte)). Die Ozonung sollte daher nicht als Abschluss der Aufbereitung, sondern vor einer Filterstufe angewendet werden.

UV-Bestrahlung im Wellenlängenbereich von 240–290nm schädigt das Erbgut von Mikroorganismen. Durch die UV-Strahlen wird konkret die DNA der Zelle bzw. die RNA der Viren und damit das Vermehrungsvermögen der Mikroorganismen zerstört. Die Bildung photochemischer Reaktionsprodukte kann vernachlässigt werden (wenn Raumbestrahlung (Fluenz) > 400 J/m²). Das Wasser soll klar/feststoffrei sein, was bei einer Trübung < 0,3 FNU gegeben ist. Es liegt keine Depotwirkung vor.

UV-Desinfektion: UV-Dosis ist das Produkt von UV-Intensität und Zeit. Die Dosis wird allgemein als 1mJ/cm² = 1000 Mikrowatt Sekunde/cm² ausgedrückt. DOSIS = BESTRAHLUNGSINTENSITÄT x ZEIT Millijoules/(sec)(cm²) x Zeit (sec) = mJ/cm²

UV-Desinfektion: benötigte Dosen

Spezies Dosierung (mJ/cm²) für verschiedene Bakterien, Viren, etc. Bacillus subtilis (spore) 12.0 Clostridium tetani 4.9 Legionella Pneumophilla 2.04 Pseudomonas aeruginosa 5.5 Streptococcus feacalis 4.5 Hepatitis A 11.0 Hepatitis Poliovirus 12.0 Saccharomyces cerevisiae 6.0 Infektiöse pancreatic necrosis 60.0

UV-Desinfektion: Leistung E.coli, Reduktion von lebenden Mikroorganismen Dosis mJ/cm² E.Coli Reduktion: 5.4 90.0% 10.8 99.0% 16.2 99.9% 21.6 99.99% 27.0 99.999%

CSB Stichpunkte: CSB: chem. O2 Bedarf BSB5, kaum relevant TOC: POC, DOC CSB :BSB5 2 : 1 CSB: x cb +s csb activated sludge model, leicht abbaubarer csb, nicht abbaubar biologische Reinigung 600 mg/l : 300 mg/l wie viel Sauerstoff biologisch abbaubar partikulär, gelöst

Beschaffenheit des Abwassers und seine Wirkung, Störstoffe: haben keinen direkten Einfluss auf die mechanischen und biologischen Abwasserreinigungsprozesse und auf das nachfolgende Gewässer, wirken sich aber auf den Kläranlagenbetrieb störend aus.

Beschaffenheit des Abwassers und seine Wirkung, Abbaubare organische Stoffe

• werden von Bakterien unter Sauerstoffverbrauch (O2-Zehrung) abgebaut
• müssen in einer Kläranlage eliminiert werden, da sie ansonsten den Sauerstoffhaushalt des nachfolgenden Gewässers sofort belasten.

Beschaffenheit des Abwassers und seine Wirkung, Nährstoffe/Nährsalze:

• fördern das Wachstum von Biomasse (später Erkannt Eutrophierung) und verursachen somit die Eutrophierung stehender oder langsam fließender Gewässer (d.h. Sekundärverschmutzung durch starke Sauerstoffzehrung beim Absterben der gebildeten Biomasse)

Beschaffenheit des Abwassers und seine Wirkung, Gefährliche Stoffe:

• oder gesundheitsschädliche Stoffe wirken hemmend oder toxisch auf die Mikroorganismen der Abwasserreinigung und auf die Lebewesen im nachfolgenden Gewässer

Beschaffenheit des Abwassers und seine Wirkung, Spurenstoffe; Mikroschadstoffe; Krankheitserreger

• Arzneimittelreststoffe
• Industriechemikalien (hormonell wirksame Substanzen)
• Krankheitskeime, Antibiotikaresistente Keime
• Mikroplastik, Nanopartikel

Bestimmung des CSB, Oxidation der org. Stoffe mit Kaliumdichromat (Messmethode), alle org. Stoffe CSB = Chemischer Sauerstoffbedarf, Summenparameter Diagramm: Ein Diagramm zeigt den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) für verschiedene Substanzen (Glukose, Stärke, Phenol, Methylalkohol). Der CSB wird in mg O2/g angegeben. ThSB [mg O2/g] immer etwas höher als CSB [mg O2/g] Vergleich theoretischer O2-Bedarf zu CSB-Bestimmung

Bestimmung des BSB, Oxidation der org. Stoffe biologisch, nur abbaubare Stoffe BSB = Biochemischer Sauerstoffbedarf, Summenparameter

• Verdünnungsmethode: wird häufig angewandt
  • Abwasser wird mit O2-gesättigtem Wasser verdünnt. Nach 5 Tagen Aufenthaltszeit in einer luftdichten Flasche, wird der Restsauerstoffgehalt bestimmt.
  • Die Differenz ist ein Maß für den Sauerstoffbedarf.
• Manometrische Methode:
  • Die Abwasserprobe wird zusammen mit Luft gasdicht eingeschlossen und gerührt.
  • Das entstehende CO2 wird durch NaOH oder KOH gebunden, so dass ein Unterdruck entsteht, der als Maß für den Sauerstoff gewertet wird.
• Sapromatmethode

Phosphor- und Stickstoffemissionen in den Oberflächengewässer Deutschlands Ein Diagramm zeigt die Phosphor- und Stickstoffemissionen in die Oberflächengewässer Deutschlands. Verschiedene Balken repräsentieren unterschiedliche Emissionsquellen und deren Anteile. Stickstoffelimination 80er bis 05 Abwasserverordnung Größenklassen 1 bis 5 1,2 haben keine Grenzwerte für Stickstoff 1,2 behandeln wenig Wasser 90er: Reduktion phosphathaltiger Produkte, Waschmittel heute immer noch sehr hoher Anteil über Pumpquellen. beim Bodensee, Wasserqualität sehr hoch, weil Abwasserbehandlung gut.

Aktuelle Herausforderungen der Abwasserbehandlung: „Emerging Pollutants“ im Wasserkreislauf:

• Pestizide & Biozide (z.B. Fassadenanstriche)
• Mikroschadstoffe
  • Pharmaka (Schmerzmittel, Antibiotika, Anti-Epileptika (z.B. Carbamazepin), Zytostatika: Krebs)
  • Endokrin wirksame Stoffe (natürliche Hormone, Organozinnverbindungen: Anti-baby-pille, PCB, Bisphenyl A)
  • Diagnostika (RKM, …), Kontrastmittel
  • Industriechemikalien (Flammenschutzmittel, …)
  • Kosmetika (Moschusduftstoffe, …)
  • Tierarzneimittel, auch viel in Gülle
• Pathogene
  • Viren und (mutierte und/oder Antibiotika resistente) Krankheitskeime
  • Legionellen    Wasserrecht: der kombinierte Ansatz Kombination von Emissionsrichtlinien und Immissionsregelungen
• Abwasserverordnung mit Mindestanforderungen an Emissionen
• Oberflächengewässerverordnung mit Umweltqualitätszielen Grenzwerttabelle Sevilla, um Arznei Grenzwerte einzuhalten: müssten neue Anlagen gebaut werden (4.Reinigungsstufe)

Wie kommen wasserrechtliche Regelungen zustande?

• In Europa besteht das Subsidiaritätsprinzip.
• Es wird Europäische (Wasser-)Gesetzgebung (Wasserrahmenrichtlinie, Trinkwasserrichtlinie, Kommunalabwasserrichtlinie) erlassen.
• Umsetzung in das jeweilige nationale Recht (Zeitraum: innerhalb von 2 Jahren).
• Konkrete emissionsrechtliche Regelungen werden in Verordnungen aufgenommen (Abwasserverordnung, BImSchV).
• Die zugehörigen Gesetze umfassen hierzu entsprechende Eröffnungsklauseln.

WRRL / Bewertung Ziel: Guter ökologischer und guter chemischer Zustand Bewertung der biologischen Qualitätskomponenten:

• Fische / Makroinvertebraten (wirbellose, Makrozoobenthos)
• Phytobenthos / Phytoplankton / Makrophyten Stoffliche Belastungen: aaRdT, allg. annerkannte Regeln der Technik, SdT, BVT
• Nährstoff- / Sauerstoffhaushalt
• Temperatur / Versalzung / Versauerung
• Schadstoffe / Prioritäre Stoffe Hydromorphologische Belastung:
• Gewässermorphologie (Längsprofil, Querprofil, Sohle, Ufer, Aue)
• Wasserhaushalt (mengenmäßiger Zustand)
• Kontinuumsunterbrechung (Durchgängigkeit)

Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (WHG, Wasserhaushaltsgesetz)

• Das WHG gilt nach §2 für oberirdische Gewässer, Küstengewässer und Grundwässer.
• Das WHG regelt vor allem die Benutzung eines Gewässers.
• Benutzung eines Gewässers bedarf einer Erlaubnis (§ 10) oder einer Bewilligung.
• Für den wasserrechtlichen Vollzug bei der Prüfung der Erlaubnisfähigkeit von Abwassereinleitungen kommt dem SdT besondere Bedeutung zu (§57 WHG, Werte in AbwV)

Mindestanforderung nach Anhang 1 der AbwV. Dieser Anhang gilt für Abwasser,

1. das im Wesentlichen aus Haushaltungen oder ähnlichen Einrichtungen wie Gemeinschaftsunterkünften, Hotels, Gaststätten, Campingplätzen, Krankenhäusern, Bürogebäuden stammt (häusliches Abwasser) oder aus Anlagen stammt, die anderen als den genannten Zwecken dienen, sofern es häuslichem Abwasser entspricht,
2. das in Kanalisationen gesammelt wird und im Wesentlichen aus den in Nummer 1 genannten Einrichtungen und Anlagen sowie aus Anlagen stammt, die gewerblichen oder landwirtschaftlichen Zwecken dienen, sofern die Schädlichkeit dieses Abwassers mittels biologischer Verfahren mit gleichem Erfolg wie bei häuslichem Abwasser verringert werden kann (kommunales Abwasser), oder
3. das in einer Flusskläranlage behandelt wird und nach seiner Herkunft der Nummer 1 oder 2 entspricht.

Mindestanforderung nach Anhang 1 der AbwV Tabelle: bei höheren pH-Werten, NH4+ zu NH3120 g/EWd CSB

• Diese Anforderung gilt bei einer Abwassertemperatur von 12°C und größer im Ablauf des biologischen Reaktors der Abwasserbehandlungsanlage. An die Stelle von 12°C kann auch die zeitliche Begrenzung vom 1. Mai bis 31. Oktober treten. ** 25 mg/l wenn die Gesamt N-Tagesfracht um 70% reduziert wird bei einem Probenahmezeitraum 24h. Überwachungswerte: 2h-Mischprobe oder qualifizierte Stichprobe Einhaltungskriterium: höchstens eine der letzten fünf Überprüfungen übersteigt den Grenzwert höchstens um 100%

Die Mindestanforderungen nach Anhang 1 der Abwasserverordnung (AbwV), Beschreibung Tabelle: sind für verschiedene Größenklassen festgelegt, basierend auf der Einwohnerwertzahl (EW) und dem biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB5) pro Tag. Die Anforderungen beinhalten Grenzwerte für den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB5), Ammoniumstickstoff (NH4-N), anorganischen Stickstoff (anorg. N) und den Gesamtphosphor (gesamt-P). Für die Größenklasse 1, mit weniger als 1.000 Einwohnerwerten, beträgt der maximale CSB 150 mg/l und der maximale BSB5 40 mg/l. Es gibt keine festgelegten Grenzwerte für NH4-N, anorg. N und gesamt-P. Für die Größenklasse 2, mit 1.000 bis weniger als 5.000 Einwohnerwerten, beträgt der maximale CSB 110 mg/l und der maximale BSB5 25 mg/l. Auch hier gibt es keine festgelegten Grenzwerte für NH4-N, anorg. N und gesamt-P. Für die Größenklasse 3, mit mehr als 5.000 bis 10.000 Einwohnerwerten, beträgt der maximale CSB 90 mg/l, der maximale BSB5 20 mg/l und der maximale NH4-N 10 mg/l. Es gibt keine festgelegten Grenzwerte für anorg. N und gesamt-P. Für die Größenklasse 4, mit mehr als 10.000 bis 100.000 Einwohnerwerten, beträgt der maximale CSB 90 mg/l, der maximale BSB5 20 mg/l, der maximale NH4-N 10 mg/l und der maximale anorg. N 18 mg/l. Der maximale gesamt-P beträgt 2 mg/l. Für die Größenklasse 5, mit mehr als 100.000 Einwohnerwerten, beträgt der maximale CSB 75 mg/l, der maximale BSB5 15 mg/l, der maximale NH4-N 10 mg/l und der maximale anorg. N 13 mg/l. Der maximale gesamt-P beträgt 1 mg/l. Diese Anforderungen gelten bei einer Abwassertemperatur von 12°C und höher im Ablauf des biologischen Reaktors der Abwasserbehandlungsanlage. Alternativ kann die zeitliche Begrenzung vom 1. Mai bis 31. Oktober angewendet werden. Wenn die Gesamt-N-Tagesfracht um 70% reduziert wird bei einem Probenahmezeitraum von 24 Stunden, beträgt der Grenzwert für anorg. N 25 mg/l. Überwachungswerte basieren auf einer 2-Stunden-Mischprobe oder einer qualifizierten Stichprobe. Einhaltungskriterium ist, dass höchstens eine der letzten fünf Überprüfungen den Grenzwert um maximal 100% überschreitet. Seite 20

Weitergehende Anforderungen an Abwasser: Bodenseerichtlinie 2005 Abläufe KA Kategorie III > 40.000 EW Pges 0,3 mg/l DOC 10 mg/l AOX 0,1 mg/l NRW/HESSEN Neue Anforderungen seit 2015: Pges 0,2 mg/l Berlin: Ausbau Klärwerke Ruhleben und Münchehofe nachgeschaltete Membranfiltration< Pges 0,05 mg/l

Abwasserabgabengesetz legt fest, dass für das Einleiten von Abwasser in Gewässer Abgaben erhoben werden. Die Höhe der Abgabe hängt von der Schadstoffbelastung des Abwassers ab, wobei höhere Schadstoffkonzentrationen zu höheren Abgaben führen. Der Abgabesatz beträgt 35,79 Euro pro Einwohnerwert. Eine Verminderung der Abgabe um 50% ist möglich, wenn die Mindestanforderungen (MA) eingehalten werden. Die Tabelle aus dem Originaltext, Fundstelle BGBl. I 2005, 119, zeigt die Bewertungen der Schadstoffe und Schadstoffgruppen sowie die entsprechenden Schwellenwerte, ab denen Abgaben fällig werden. Die Schadstoffe sind in verschiedene Kategorien unterteilt, darunter sauerstoffzehrende Stoffe, Phosphor, Schwermetalle (wie Quecksilber und Cadmium), organische Halogenverbindungen (AOX), sowie spezifische Schadstoffe wie Cyanide und Stickstoffverbindungen. Für jede dieser Kategorien gibt es festgelegte Schwellenwerte, und je höher die Konzentration dieser Stoffe im Abwasser, desto höher ist die Abgabe. Es wird auch erwähnt, dass Kleinanlagen, die nicht stark industriell geprägt sind, geringere Belastungen haben und daher möglicherweise geringere Abgaben zahlen müssen. Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass das Vorkommen von Schadstoffen erschöpft wird, was bedeutet, dass Maßnahmen zur Reduktion und Behandlung von Schadstoffen notwendig sind, um die Abgaben zu minimieren. Je höher die Schadstoffbelastung im Abwasser, desto höher ist die Abgabe, was als Anreiz dient, die Schadstoffkonzentration durch geeignete Abwasserbehandlungsmaßnahmen zu reduzieren. Fundstelle des Originaltextes: BGBl. I 2005, 119 Abgabesatz: 35,79 €/SE; Verminderung um 50% bei Einhaltung MA Kleinanlagen nicht stark industriell geprägt.

Verfahrensschema einer Kläranlage schematisches Flussdiagramm zeigt die verschiedenen Prozessstufen einer Kläranlage. Die Schritte umfassen: Rechen, Sandfang, Vorklärung, Belebung, Nachklärung, Vorfluter. Weitere Einheiten beinhalten: Rücklaufschlamm, Primärschlamm, Sekundärschlamm, Überschussschlamm zum Voreindicker, Faulbehälter ( Biogas, Gasometer), Nachendecker, Schlammentwässerung(Wässer wieder in Klärprozess), Entsorgung hydraulische Aufenthaltszeit für Bakterienwachstums 12 h, deswegen Rücklaufschlamm und höheres Schlammalter durch Rücklauf (höhere Bakterienpopulation)

Belebungsverfahren 80er Jahre keine Stickstoffelimination, Nitratbildung des Ammoniums

1. Zufluss: Das Abwasser fließt zunächst in das Belebungsbecken. 2.Belebungsbecken: Hier findet die Hauptreinigung statt. Das Abwasser wird mit Belebtschlamm, der eine hohe Konzentration an Mikroorganismen enthält, gemischt. Diese Mikroorganismen bauen die organischen Stoffe im Abwasser ab. Die Belüftung sorgt für die Zufuhr von Sauerstoff, der für die Atmung der Mikroorganismen notwendig ist. 3.Belüftung: In diesem Abschnitt wird Luft oder Sauerstoff in das Belebungsbecken eingebracht, um den Abbauprozess durch die Mikroorganismen zu unterstützen. Die Blasen im Bild repräsentieren die Belüftung. 4.Nachklärbecken: Das Gemisch aus gereinigtem Abwasser und Belebtschlamm gelangt anschließend ins Nachklärbecken. Hier setzen sich die Schlammflocken am Boden ab und das geklärte Wasser wird über den Überlauf abgeführt. 5.Abfluss: Das geklärte Wasser verlässt die Anlage und wird in ein Gewässer eingeleitet oder weiter behandelt. 6.Rücklaufschlamm: Ein Teil des abgesetzten Schlamms wird zurück in das Belebungsbecken gepumpt, um die Konzentration der Mikroorganismen aufrechtzuerhalten und den Reinigungsprozess kontinuierlich zu unterstützen (hydraulische Aufenthaltszeit) 7.Überschussschlamm: Der überschüssige Schlamm, der sich im Nachklärbecken ansammelt, wird regelmäßig entfernt und behandelt oder entsorgt.

Das Fließschema BB zeigt den Ablauf und die verschiedenen Stufen der Abwasserbehandlung, einschließlich Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation sowie (biologische/chemische) Phosphor-Elimination.

1. VK (Vorklärbecken): Hier gelangt das Abwasser zunächst hinein. Im Vorklärbecken setzen sich schwere Feststoffe ab und bilden den Primärschlamm, der dann entfernt wird.
2. BB (Belebungsbecken): Das vorgereinigte Abwasser fließt vom Vorklärbecken in das Belebungsbecken. Hier finden die Hauptprozesse der biologischen Reinigung statt:
   • Denitrifikation: In der vorgeschalteten Denitrifikation wird Nitrat (NO3-) zu gasförmigem Stickstoff (N2) umgewandelt. Dies geschieht unter anoxischen Bedingungen (ohne Sauerstoff).
   • Nitrifikation: Ammonium (NH4+) wird zu Nitrit (NO2-) und weiter zu Nitrat (NO3-) oxidiert. Dieser Prozess erfordert Sauerstoff (aerobe Bedingungen).
3. NKB (Nachklärbecken): Das Gemisch aus gereinigtem Abwasser und Belebtschlamm gelangt ins Nachklärbecken. Hier setzen sich die Schlammflocken am Boden ab und das geklärte Wasser wird über den Überlauf abgeführt.
4. Rücklaufschlamm: Ein Teil des abgesetzten Schlamms im Nachklärbecken wird zurück in das Belebungsbecken gepumpt, um die Konzentration der Mikroorganismen aufrechtzuerhalten.
5. Interne Rezirkulation: Es erfolgt eine interne Rezirkulation, bei der ein Teil des Nitrat-haltigen Wassers aus dem Belebungsbecken zurück in die Denitrifikation geleitet wird, um den Denitrifikationsprozess zu unterstützen.
6. Überschussschlamm: Der Schlamm, der sich im Nachklärbecken ansammelt und nicht zurückgeführt wird, wird als Überschussschlamm entfernt und weiter behandelt oder entsorgt. Zusätzliche Informationen aus dem Schema:

• Kohlenstoffabbau findet im Belebungsbecken statt.
• Nitrifikation und Denitrifikation sind essentielle Prozesse zur Stickstoffelimination.
• Biologische und chemische Phosphor-Elimination können ebenfalls im Belebungsbecken durchgeführt werden.
• Autotrophe und heterotrophe Bakterien spielen eine Rolle bei den biologischen Abbauprozessen.
• Es gibt eine hydraulische Lasterhöhung und weitere Lasterhöhung innerhalb des Systems, um den Abbauprozess zu optimieren.

Belebungsverfahren, Prozesse und Ziele

• Abbau von organischen Stoffen (CSB, BSB5)
• Stickstoffelimination: .Oxidation von Ammoniumstickstoff über Nitrit zu Nitrat (Nitrifikation), .Reduktion von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff (Denitrifikation)
• Phosphorelimination   . chemisch durch Zugabe von Eisensalzen   . biologische Phosphorelimination (BIO-P)
• Flockung und teilweiser Abbau von partikulären Stoffen
• Elimination von spezifischen organischen Verbindungen

Anforderungen an das Belebungsverfahren

• ausreichende Anreicherung von Biomasse, gemessen als Trockensubstanzgehalt des belebten Schlamms (TS_BB)hängt vom Nachklärbecken ab
• ausreichende Sauerstoffzufuhr zur Deckung des Sauerstoffverbrauchs und deren Regelbarkeit (Anpassung an unterschiedliche Betriebs- und Belastungsverhältnisse)
• ausreichende Durchmischung (Ablagerungen von Schlamm vermeiden) durch Belüftung bzw. Mischeinrichtungen
• keine Belästigung durch Gerüche, Aerosole, Lärm und Erschütterungen, Lachgasentstehung, Faktor 200, Stickstoffelimination, A131, komplexe Richtlinie