IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 6/1997, Seite 212 ff.
SCHWIMMBADTECHNIK
Technische Grundlagen für die Badewasseraufbereitung mit Ozon
Otto Knischourek *
Nach DIN 19643 "Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser" Teil 1 sind für Therapiebecken Aufbereitungsverfahren in der Verfahrenskombination mit Ozonstufe, z.B. nach DIN 19643 Teil 3 einzusetzen, da unter Therapiebecken Badebecken für erhöht infektionsgefährdete Personen, z.B. in Krankenhäusern und ähnlichen Einrichtungen, zu verstehen sind. In diesem Bäderbereich sind deshalb an die Badewasserhygiene besondere Anforderungen zu stellen.
Für Bewegungsbecken wird die Verfahrenskombination mit Ozonstufe zwar empfohlen, jedoch nicht bindend vorgeschrieben. Teil 3 der DIN 19643 beschreibt die Verfahrenskombination Flockung-Vorfiltration-Ozonung-Sorptionsfiltration-Chlorung. Deshalb befaßt sich der folgende Beitrag ausschließlich mit dieser Verfahrenskombination. Die erforderlichen chemischen und technischen Zusammenhänge sollen möglichst in einfacher und verständlicher Form dargestellt werden.
Flockung-Vorfiltration
Zunächst wird dem Badewasser, wie bei jeder anderen Verfahrenskombination für den öffentlichen Bäderbereich, ein geeignetes Flockungsmittel zudosiert, um sonst nicht filtrierfähige, kolloide Belastungsstoffe im Filter zurückhalten zu können. Nach der Flockungsmittel-Einspeisung und dessen ausreichender Durchmischung wird durch Bemessung der Rohrleitung die notwendige Reaktionszeit für das Flockungsmittel sichergestellt.
Anschließend gelangt das Badewasser zur Vorfiltration über eine leistungsfähige Badewasserfilteranlage, die alle filtrierbaren Inhaltstoffe zurückhält. Dieses vorgereinigte Wasser wird anschließend mit einem Ozon-Luft-Gemisch angereichert.
Was ist Ozon?
Ozon ist ein farbloses, stechend riechendes, äußerst giftiges Gas. Es ist etwa 1,56 mal schwerer als Luft, die Dichte beträgt 2,14 g/l. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (O3) und zerfällt bei Raumtemperatur sehr leicht wieder in molekularen Sauerstoff (O2) Der dabei als Zwischenstufe entstehende, atomare Sauerstoff ist sehr reaktionsfreudig und verleiht dem Ozon seine große Oxidationswirkung. Ozon tötet und inaktiviert Bakterien wesentlich schneller als Chlor!
Es müssen jedoch zur sicheren Abtötung der Keime bzw. Inaktivierung der Viren bestimmte Mindestüberschüsse an Ozon im Wasser vorliegen und eine Mindesteinwirkungszeit eingehalten werden. Durch das starke Oxidationsvermögen von Ozon werden organische Belastungsstoffe im Schwimm- und Badebeckenwasser abgebaut und damit eine deutliche Verminderung oxidierbarer, organischer Substanz erreicht.
Die Zerfallsgeschwindigkeit von Ozon erhöht sich mit steigender Temperatur. Daher wurde in DIN 19643 die erforderliche Ozonmassenkonzentration in Abhängigkeit von der Badewassertemperatur festgelegt. Während bei einer Schwimm- und Badebeckenwassertemperatur von 28°C und weniger 0,8 g/m³ Ozon ausreichen, sind bei Wassertemperaturen von 33°C bis 35°C 1,2 g/m³ Ozon erforderlich.
Weiter fordert DIN 19643 nach intensiver Vermischung des Ozon-Luft-Gemisches mit dem Badewasser eine Reaktionszeit von wenigstens drei Minuten. Längere Reaktionszeiten verbessern das Aufbereitungsergebnis. Dazu jedoch mehr unter dem Thema "Reaktionsbehälter".
Die Ozon-Erzeugung
Ozon entsteht bei der Einwirkung einer stillen elektrischen Entladung auf sauerstoffhaltige Gase. Entweder mit reinem Sauerstoff oder, wie bei der Schwimmbadwasseraufbereitung üblich, mit Luft, die im Regelfalle ca. 21% Sauerstoff enthält. Die elektrische Entladung erfolgt in einem Gasraum zwischen zwei Elektroden, die durch ein Dielektrikum (elektrischer Nichtleiter, durch den elektrische Feldlinien gehen) voneinander getrennt sind.
An einer Elektrode liegt Hochspannung an, während die Gegenelektrode am geerdeten Rückleiter zur Hochspannungquelle - also dem Transformator - liegt. Den Elektroden wird hochgespannter Wechselstrom zwischen 6000 und 20000 Volt zugeführt, wobei das Dielektrikum den Zweck eines Vorschalt-Widerstandes erfüllt und damit den direkten, zum Kurzschluß führenden Stromübergang von Elektrode zu Elektrode verhindert.
Durch den Ringspalt strömende Sauerstoffmoleküle werden durch Elektronenstöße gespalten, wobei Sauerstoffatome oder Ionen entstehen. Diese vereinigen sich mit anderen Sauerstoffmolekülen zu Ozon. Die Ozonkonzentration steigt bei konstanter Luftdurchströmung mit zunehmender Energiezufuhr.
| Gesundes Badewasser erfordert fachgerechte Wasseraufbereitung. |
Zur Erzeugung von Ozon ist eine relativ hohe Energiemenge erforderlich, die nur zu einem geringen Teil - maximal 5% - für die Ozonbildung genutzt werden kann. Der Energiebedarf beträgt ca. 18 W/g Ozon, also 1,5 kW/100 g Ozon. Einschließlich Lufttrocknung kann man mit 20 W/g Ozon rechnen. 95% des Energiebedarfes entfallen auf Wärme, Licht und Schall. Daher muß die Ozonröhre mit Wasser gekühlt werden, weil sonst - wie schon erwähnt - bei höheren Temperaturen Ozon wieder rasch zerfällt und damit die Ozonleistung von der Temperatur in der Ozonröhre abhängig ist.
Die zur Ozonerzeugung eingesetzte Luft muß mechanisch gereinigt und bis zu einem Taupunkt von unter 228 K, entsprechend -45°C, getrocknet sein. Nur dann ist ein wirtschaftlicher und störungsfreier Betrieb der Ozonanlage gegeben.
Beim Betrieb mit normaler Luft würde statt Ozon vorwiegend Stickoxid entstehen und es würden sich im elektrischen Feld des Ozonerzeugers auch Salpetersalze ablagern, die mit zunehmender Betriebsdauer zu einer wesentlichen Leistungsminderung führen.
Die Ozonanlage muß DIN 19627 "Ozonerzeugungsanlagen zur Wasseraufbereitung" entsprechen. Solche Anlagen sind grundsätzlich mit Luftfilter und automatischer regenerierender Lufttrocknung ausgestattet.
Installationsschema einer Wasseraufbereitungsanlage.
Gute Ozonanlagen sind mit Erzeugermodulen in Röhrenform mit geschlossenem, bis 10 bar druckfestem Wasserkühlsystem ausgestattet. Die Elektroden und das Modulgehäuse bestehen aus Edelstahl und Spezialglas, das Dielektrikum aus hochwertigem, hitzebeständigem Spezial-Borsilikat-Glas. Ein Durchflußmesser mit Grenzkontakt für die Gas- bzw. Luftdurchsatzüberwachung und ein Temperaturregler zur Überwachung der Kühltemperatur sind eingebaut.
Zum Gerät gehört auch der Hochspannungstransformator in vollständig vergossener Ausführung zur Erzeugung des hochgespannten Wechselstromes. Reguliert wird die Ozonanlage über einen Ringstelltransformator, womit die Ozonproduktion durch Veränderung der Primärspannung reguliert wird. Die Verstellung des Transformators zur Leistungsregulierung erfolgt entweder manuell oder automatisch über einen Stellmotor, z.B. abhängig vom jeweiligen Redoxpotential.
Die Lufttrocknungsanlage zur Reinigung und Entfeuchtung des Einsatzgases besteht aus Vor- und Nachfilter, zwei parallel verrohrten Absorberzellen und einem in der Fronttür eingebauten Feuchtigkeitsindikator zur visuellen Kontrolle der Prozeßluftqualität. Dabei handelt es sich um ein blaues Gel, das durch Einwirkung durch Feuchtigkeit eine Rosafärbung annimmt und somit einen eventuellen Defekt des Lufttrockners deutlich anzeigt.
Der Lufttrockner wird mit Heißluft über ein Regenerationsgebläse wieder regeneriert. Im Ozonerzeuger sind die für Bedienung und Überwachung der Anlage erforderlichen Schalt-, Regel-, Meß- und Kontrollorgane eingebaut. Dazu gehört die Spannungsanzeige, die Stromaufnahme, der Hauptschalter und Anschlüsse für die Korrespondenz mit den übrigen Einrichtungen der Badewasseraufbereitungsanlage.
Ozonanlagen müssen in geschlossenen, verschließbaren Räumen aufgestellt sein, in denen keine ständigen Arbeitsplätze vorhanden sind. Eine entsprechende Beschilderung und eine Einrichtung zur Notausschaltung, sowie eine, der Leistung des Ozonerzeugers entsprechende Be- und Entlüftung des Raumes, sind sicherzustellen.
Der Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichter (Injektor)
Der Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichter (Injektor) erzeugt einen Unterdruck in Abhängigkeit von Druck und Menge der Treibflüssigkeit. Dazu wird über eine Pumpe (Treibwasserpumpe) Filtrat hinter der Flockungsfilteranlage durch den Injektor geführt und anschließend mit dem Ozon-Luft-Gemisch angereichert wieder in die Rohrleitung zurückgespeist. Es muß ein Sog von wenigstens -0,2 bar erzeugt werden.
Die Auslegung des Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichters und der dazugehörigen Treibwasserpumpe erfordert Sorgfalt und Erfahrung bei der Planung. Über den Flüssigkeitsstrahl-Gasverdichter wird aus dem Aufstellraum der Ozonanlage Luft angesaugt, in der Ozonanlage gefiltert, getrocknet und anschließend der stillen Hochspannungsentladung der Ozonerzeugung unterzogen. Das ganze System steht unter Vakuum, womit hohe Sicherheit gegen das Austreten von Ozon gewährleistet ist.
Der Tangentialmischer
Die Löslichkeit des Ozons im Wasser ist gering. Intensive Durchmischung und möglichst große Kontaktzeit ist wichtig, weshalb hinter der Zumischung des Ozons in die Leitung ein Tangentialmischer eingebaut wird.
Der Reaktionsbehälter
Anschließend gelangt das vorfiltrierte, mit dem Ozon-Luft-Gemisch angereicherte Wasser in den Reaktionsbehälter. Dort wird Ozon und Wasser bei einer Reaktionszeit von wenigstens drei Minuten kräftig durchmischt.
Die angesaugte, noch ozonhaltige Luft muß über einen automatischen Entlüfter hier wieder vollständig ausgeschieden werden. Die Installation der Entlüftung mit Rest-Ozon-Vernichter, der vorwiegend mit Aktivkohle gefüllt ist, erfordert den erfahrenen Fachmann.
Der Aktivkohlefilter-Sorptionsfiltration
Verfolgen wir das Wasser in Fließrichtung weiter, dann ist der nächste Verfahrensschritt der Aktivkohle- oder Sorptionsfilter, ein Mehrschichtfilter, der, wie der Reaktionsbehälter auch, aus ozonbeständigem Material hergestellt oder entsprechend beschichtet sein muß.
Neben einer Verteiler- und Sandschicht, um die Kohle sicher im Filter zurückzuhalten, ist dieser Filter vorwiegend mit Aktivkohle gefüllt, damit das Ozon an der Aktivkohle wieder rasch zu Sauerstoff reduziert wird. Ozon darf unter keinen Umständen in das Badewasser gelangen.
| Schematische Darstellung eines Röhren-Ozonerzeugers. |
Bei der Entozonung im Aktivkohle- bzw. Sorptionsfilter werden neben der chemischen und katalytischen Rest-Ozon-Beseitigung auch Reaktionsprodukte der Ozonung und andere Belastungsstoffe, wie z.B. chlorierte Stickstoffverbindungen, aus dem Wasser entfernt. Der bei der Entozonung entstehende Sauerstoff muß ebenfalls über einen automatischen Entlüfter abgeführt, dem Rest Ozon-Vernichter zugeleitet und dann ins Freie abgeführt werden.
Ozongrenzwerte für die menschliche Gesundheit
Ozon ist, wie bereits erwähnt, ein starkes Atemgift. Durch seinen intensiven Geruch werden schon Konzentrationen von ca. 0,2 ppm oder cm³/m³ oder 0,42 g/m³ wahrgenommen. Bei höheren Konzentrationen wird der Geruch unangenehm stechend und es tritt eine Reizung der Atmungsorgane und Augen auf.
Außerdem kann eine Betäubung der Geruchsnerven auftreten, wobei etwa nach fünf Minuten Einwirkungsdauer in dieser Konzentration unter Umständen das Ozon nicht mehr wahrgenommen wird. Der natürliche Selbstschutz wird somit ausgeschlossen.
Ozonkonzentrationen über 0,5 ppm wirken bereits so stark reizend auf Augen und Atmungsorgane, daß diese stets wahrgenommen werden. Trockenheit in Nase und Rachen, Hustenreiz, Niesreiz, Tränenbildung und Kopfschmerzen treten auf. Ozonkonzentrationen bis zu 2 ppm führen nach Einwirkungsdauer von wenigen Stunden zu starken Reizungen der Atemwege, Geschmacksstörungen, Erbrechen und tagelangen Nebenwirkungen. Über eine Konzentration von 10 ppm führt eine längere Einwirkungsdauer zu Bewußtlosigkeit, eventuell zu Lungenblutungen und zum Tod.
Es soll hier keine Angstmacherei betrieben werden, aber man muß wissen, daß der Umgang mit Ozon beherrscht werden muß. Die Anlagen sind so auszustatten, zu bauen und zu warten, daß eine Schädigung der menschlichen Gesundheit nicht zu erwarten ist. Darauf wird auch in den "Richtlinien für die Verwendung von Ozon zur Wasseraufbereitung" hingewiesen, die beispielsweise vom Württembergischen Gemeindeunfallversicherungsverband, Postfach 106062, 70329 Stuttgart, oder dem Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften in 50205 St. Augustin herausgegeben werden.
Das Ozongaswarngerät
Der Schutz vor gesundheitlichen Schäden des Wartungspersonals sowie die Betriebssicherheit verlangen zwingend ein zuverlässiges Kontroll- und Warnsystem.
Ein oxidierendes Gas wie Chlor oder im vorliegendem Falle Ozon, ist chemisch aggressiv. Bereits geringe Konzentrationen können nicht nur den Menschen, sondern auch Materialien schädigen und somit die Funktions- und Betriebssicherheit beeinträchtigen. Als maximaler MAK-Wert (maximale Arbeitsplatz-Konzentration) gilt für Ozon 0,1 ppm entsprechend 0,2 mg/m³. Übrigens liegt der MAK-Wert für Chlor bei 1,5 mg/m³, also ca. 7,5 mal höher.
Bei Überschreitung des eingestellten Grenzwertes gibt das Gaswarngerät ein optisches oder akustisches Signal und schaltet gleichzeitig den Ozonerzeuger aus.
Die Materialauswahl
Ozon greift nahezu alle Materialien an und nur wenige Stoffe widerstehen der Oxidationskraft des Ozons, wie beispielsweise nicht rostende Stähle, einige Kunststoffe, Keramik und Glas. PVC kann zum Einsatz kommen, jedoch müssen ozonführende Leitungen unbedingt aus dickwandigem PVC-Rohr, also PN 16 Reihe 6 verlegt werden. Polyethylen ist nicht ozonbeständig und kommt daher für ozonführende Leitungen nicht in Frage. Als Material für die Dichtungen kommt nur hochwertiges EPDM in Betracht.
Die Wasserbeschaffenheit im Schwimm- und Badebecken bei Einsatz einer Ozonstufe
Ins Detail gehende Betrachtungen würden hier zu weit führen. Die oft vom Laien vertretene Meinung, daß bei einer Aufbereitungsstufe mit Ozon Badewasser ungechlort ist, ist falsch. In Fließrichtung wird nach dem Sorptionsfilter Chlor zugegeben. Dies ist unverzichtbar, da Ozon im Badewasser nicht nachweisbar sein darf, eine Übertragung von Keimen im Becken selbst aber auszuschließen sein muß. Deshalb muß das Badewasser selbst eine Desinfektionsmittelkapazität haben, die nur durch einen ausreichenden Chlorgehalt sichergestellt ist. Nach DIN 19643 Teil 1 Tabelle 2 muß stets ein Wert von mind. 0,3 mg/l und max. 0,6 mg/l nachweisbar sein.
Da Chlor nur belästigt, wenn es im Badewasser mit organischen Inhaltsstoffen reagiert, und diese durch die hohe Aufbereitungsleistung der Verfahrenskombination mit Ozonstufe auf ein Minimum reduziert werden, wird man das Chlor im Badewasser kaum wahrnehmen.
Außerdem müssen, wie bei jeder anderen Verfahrenskombination zur Badewasseraufbereitung auch, die Säurekapazität des Badewassers und der pH-Wert überwacht und erforderlichenfalls korrigiert werden. Automatische Meß-, Regel- und Dosieranlagen erleichtern hierzu den notwendigen, manuellen Aufwand wesentlich.
Fazit
Die Schwimm- und Badebeckenwasseraufbereitung nach DIN 19643 Teil 3 Flockung-Vorfiltration-Ozonung-Sorptionsfiltration-Chlorung ist ein sehr leistungsfähiges Aufbereitungsverfahren und bietet eine hohe hygienische Sicherheit. Für die Projektierung, Ausführung und Wartung kommen aber nur erfahrene Fachleute in Frage, da bei dieser Technik Kompromisse nicht hingenommen werden können.
* Otto Knischourek, Technischer Verkaufsleiter der Ospa-Schwimmbadtechnik
B i l d e r u n d Z e i c h n u n g e n : Ospa Apparatebau Pauser GmbH & Co.KG
L i t e r a t u r :
Dipl.-Chemie-lngenieur Wolfgang Roeske
Fachbuch "Schwimmbeckenwasser - Anforderungen,
Aufbereitung und Untersuchung
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