IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/1999, Seite 28 ff.

Wasserchemie, Wasseranalytik und Wasseraufbereitung

Wasseraufbereitung

F.W. Patocka und J. Weißenburger*  Teil 3

Das von den Wasserversorgungsunternehmen gelieferte Wasser unterliegt der Überwachung der Gesundheitsämter gemäß der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) und ist damit als Lebensmittel für den menschlichen Verzehr unbedenklich geeignet. Technische Anwendungen im Haushalt erfordern meist eine veränderte Wasserqualität, die von den Wasserversorgern nicht berücksichtigt werden können. Ebenfalls ist zu bedenken, daß viele Haushalte nicht der öffentlichen Trinkwasserversorgung angeschlossen sind und eine Wasseraufbereitung benötigen.

In den ersten beiden Teilen der Veröffentlichung wurden die wesentlichen Informationen zu den Trinkwasserinhaltsstoffen (siehe IKZ-Haustechnik, Heft 5/98) und der dazugehörigen Wasseranalytik (siehe Heft 12/98) dargestellt. Der dritte Teil beschreibt die wichtigsten Verfahren über die dazugehörige Wasseraufbereitung. Es sind zwei wesentliche Methoden zur Wasseraufbereitung zu unterscheiden: die Trinkwasserbehandlung und die Wasseraufbereitung.

Trinkwasserbehandlung

Zitat Kommentar DIN 1988[1]:

Wer hat sich noch nicht darüber geärgert, daß ständige Kalkausfällungen die Düsen der Dusche verstopfen, oder daß braunes Wasser aus den Leitungen den Genuß des Trinkwassers verleiden. Wer hat sich noch nicht gefragt, warum ist der Waschmittelverbrauch zu hoch oder warum wird das Geschirr und hier insbesondere warum werden die Gläser aus dem Geschirrspüler nicht mehr sauber und erhalten nach und nach einen milchig trüben Belag.

Die TrinkwV kann nicht auf alle technischen Installationen im Haushalt eingehen. Hier sind Maßnahmen zu treffen, die die Wasserqualität beim Endverbraucher gezielt verändern. Dafür werden Filtersysteme, Dosiergeräte und Enthärtungsanlagen zur Wasserbehandlung eingesetzt.

Seriöse Wasseraufbereitungsfirmen bieten hierzu DVGW¹) - geprüfte Geräte und Mineralstoffe an, die für den gewünschten Zweck, auf Grundlage einer Wasseranalyse und der eingesetzten Werkstoffe ausgewählt werden.

Hartes Wasser

Nach dem Waschmittelgesetz § 7 wird unser Trinkwasser in 4 Härtebereiche eingeteilt. Bekannt sind diese Härtebereiche durch die Angaben der Waschmittelhersteller auf den Gebrauchsanweisungen der Verpackungen zur Dosierung der Waschmittelmenge für eine Maschinenfüllung. Ab dem Härtebereich 3 (> 14 °dH) spricht man von harten und sehr harten Wässern und empfiehlt Wasserbehandlungsmaßnahmen, um in Warmwassersystemen und -verteilern einer möglichen Zerstörung der Wärmetauscher oder Beeinträchtigungen an Armaturen und Apparaten vorzubeugen.

Zur Vermeidung von Kalkausfällungen in der Hausinstallation werden verschiedene Verfahren angeboten. Anhand einer durchgeführten Wasseranalyse (kann auch vom Versorgungsunternehmen kostenlos angefordert werden), der Kenntnis des Rohrleitungsmaterials und dem Wissen der erforderlichen Wasserqualität, werden von Fachfirmen Vorschläge für eine Wasserbehandlungsmaßnahme ausgearbeitet. Als Übersicht werden im nachfolgenden die wesentlichen Behandlungsmaßnahmen beschrieben.

Enthärtung

Das Prinzip der Enthärtung läuft nach dem klassischen Verfahren des Ionenaustausches ab. Dem harten Wasser wird ein Teil der Calcium- und Magnesiumionen - die zu den Kalkablagerungen führen - entzogen und durch Natriumionen ersetzt (siehe Teil 1).

Funktion einer Enthärtungsanlage (siehe Bild 1): Hartes Wasser fließt über den Montageblock (1) (dunkelblaue Strecke) in einen der beiden Austauschbehälter (2) und wird dort nach dem Prinzip des Ionenaustausches enthärtet. Gleichzeitig wird der zweite Austauschbehälter (gelbgrün dargestellt) mit Salzsole regeneriert oder er steht in Reserve. Ist die Regeneration in diesem Behälter beendet, fließt das Spülwasser mit gelöstem Kalk in den Abfluß (3).

Das vollständig enthärtete Wasser fließt über den Montageblock in die Wasserleitung zurück (hellblaue Strecke). Über einen im Montageblock integrierten Verschneideregler wird das Wasser auf den gewünschten Härtegrad vermischt. Im nachgeschalteten Dosiergerät (4) werden über eine Dosierstelle am Montageblock bei Bedarf gewünschte Mineralstoffe hinzugefügt, die Korrosionsschutz in verzinkten Stahlrohren und bei niedrigen pH-Werten auch in Kupferleitungen bewirken.

Der Ionenaustausch ist nachweislich das wirtschaftlichste Verfahren, um wirklich weiches Wasser zu erhalten. In minimalem Umfang werden bei diesem Verfahren Mineralien und Salze hinzugefügt (siehe Mineralstoffe im Trinkwasser). Die Funktion einer Enthärtungsanlage läßt sich durch den Endverbraucher über handliche Meßbestecke sehr einfach bestimmen und kontrollieren.

Härtestabilisierung und Korrosionsschutz durch Mineralstoff Dosierung

Bei der Härtestabilisierung werden dem harten, kalkhaltigen Wasser über eine Dosierpumpe mengenproportional Mineralwirkstoffe zugesetzt, die eine härtestabilisierende Wirkung besitzen und ein Kristallwachstum zur Steinbildung (also Kalkausfällungen) verhindern. Ein Teil des Wirkstoffes wirkt gleichzeitig als Korrosionsschutz durch den Aufbau einer zeitstabilen Korrosionsschutzschicht und wird innerhalb der Rohrleitungen verbraucht (siehe Bild 3: Wirkungsweise Korrosionsschutz).

Die eingesetzten Mineralwirkstoffe sind Kombinationsprodukte aus Phosphaten und Silikaten. Im Regelfalle kann eine härtestabilisierende Wirkung in den Härtebereichen 2 und 3 erzielt werden.

Die Installation der Dosieranlage wird im Regelfall nach einem Feinfilter und dem Abgang der Wasserleitung für die Gartenbewässerung in der Nähe der Impfstelle des Dosiermittels montiert (siehe Bild 2). Über einen Wasserzähler werden bei Wasserentnahme Impulse an die Dosierpumpe in Abhängigkeit der Entnahmemenge gegeben. Diese Impulse werden von der Dosierpumpe zur Förderung des Mineralwirkstoffes umgesetzt und über die Impfstelle in die Trinkwasserleitung dosiert. So wird sichergestellt, daß immer die genau richtige Menge des Mineralwirkstoffes dem Trinkwasser - zum Beispiel zur Härtestabilisierung - zudosiert wird.

Teilenthärtung und Salzreduzierung mittels Membranverfahren

Neueste Entwicklungen im Bereich der Wasserbehandlung und Wasseraufbereitung sind die Membranverfahren wie Umkehrosmose und Nanofiltration. Die Membrantechnologie kann man sich stark vereinfacht wie einen extrem feinen Filter vorstellen. Während die konventionelle Filtration eine Filtrationsfeinheit von bestenfalls 10 µm (das sind 0,01 mm) erreicht, kann die Membrantechnologie bis zu 10.000fach kleinere Teilchen "abfiltrieren". Bei der Nanofiltration kann diese Technik zur Reduzierung von Salzen im Wasser genutzt werden. Insbesondere 2- und mehrwertige Anionen wie Sulfate und Kationen wie Calcium und Magnesium - also die Härtebildner - werden durch die Nanofiltration reduziert oder gar entfernt.

Rost im Wasser - Korrosion

Die Korrosion von metallischen Werkstoffen ist ein Naturgesetz und somit auch bei metallischen Versorgungsleitungen für das Trinkwasser vorhanden. Solange eine Korrosion die Qualität des Trinkwassers nicht beeinflußt (Grenzwerte des Trinkwassers), wird diese natürliche Korrosion vom Verbraucher nicht bemerkt und damit auch nicht als Korrosion empfunden.

Erst bei korrosionsfördernden Betriebsbedingungen wie Fremdstoffe, Werkstoff, Installation und Wasserzusammensetzung wird die Korrosion so stark gefördert, daß ein Korrosionsschaden auftritt und von dem Verbraucher dies als Rost im Trinkwasser oder als Rohrschaden bemerkt wird.

Häufig sind Fälle, die dann gleich hohe finanzielle Aufwendungen benötigen, um einen eingetretenen Schaden wie Rohrbrüche durch Korrosionserscheinungen oder den Austausch der Warmwasserbehälter durch Kalkablagerungen erfordern.

Alle Wasserbehandlungsmaßnahmen zur Verringerung der Korrosionswahrscheinlichkeit sind Maßnahmen zur Minderung des Korrosionsrisikos.

Feinfilter

Eine Schadensform die sehr häufig auftritt, ist der Eintrag von Fremdpartikeln (z.B.: Schmutz, Rost und Sandpartikel in die Hausinstallation. Zur Vermeidung dieser Korrosionsursache wird von der DIN 1988 Teil 7 der Einbau von Filtern hinter dem Wasserzähler vorgeschrieben (siehe auch Bild 2).

Die DVGW geprüften Feinfilter entfernen weitestgehend die von außen eingetragenen Verschmutzungen und vermindern damit die dadurch entstehende Korrosion.

Mineralstoffdosierung als Korrosionsschutz

Im wesentlichen werden heute neben Kunststoffrohren als metallische Rohrleitungen in der Hausinstallation Edelstahl und Kupfer eingesetzt, verzinkter Stahl verliert an Bedeutung. Wie oben erwähnt, spielt die Wasserqualität oder Wasserzusammensetzung eine der wesentlichen Rollen im Korrosionsverhalten der Metalle. Eine Vorhersage, ob bei einem gegebenen Wasser und dem gewählten Material für die Rohrleitungen Maßnahmen zur Korrosionsverminderung notwendig sind, ist nur bei einer durchgeführten Wasseranalyse möglich.

Stellt sich heraus, daß trotz Einhaltung aller technischen Regeln durch das Wasser ein Schadensrisiko verbleibt, kann durch eine Mineralstoffdosierung die Korrosionswahrscheinlichkeit deutlich vermindert werden. Dazu werden von den Fachfirmen der Wasseraufbereitung lebensmittelzugelassene Mineralwirkstoffe und die entsprechenden Dosiersysteme angeboten. Diese Mineralwirkstoffe enthalten andere Wässer als natürliche Inhaltsstoffe und beschleunigen einen Deckschichtaufbau in der Rohrinnenwand als Schutzschicht und vermindern somit das Korrosionsverhalten des Metalles [1].

Bei den DVGW geprüften Dosiersystemen zur Verminderung der Korrosionswahrscheinlichkeit ist durch technische Maßnahmen sichergestellt, daß in keinem Falle die dosierten Mineralstoffe den zugelassenen Grenzwert nach der TrinkwV überschreiten können.

In den meisten Fällen wird dem Endverbraucher aber erst das Risiko eines Korrosionsschadens im Rohrleitungssystem bewußt, wenn dieser Schaden durch braunes Wasser aus der Wasserleitung, durch blaue Verfärbungen der sanitären Installation oder im schlimmsten Falle durch Rohrbrüche eingetreten ist. Auch hier kann eine nachträglich installierte Mineralstoffdosierung zumindest die eingetretene Korrosion verzögern, wenn nicht sogar stoppen. In diesen Fällen, der sogenannten Sanierungsdosierung, sind begleitende Maßnahmen, wie die Reinigung der korrodierten Rohrleitungen durch z.B.: den GENO®-Spülkompressor und durch den Einbau von Paßstücken zur Überprüfung und Kontrolle der Schutzschichtausbildung unbedingt zu empfehlen.

Wasseraufbereitung

Im Gegensatz zur Trinkwasserbehandlung wird eine Wasseraufbereitung dann notwendig, wenn einzelne oder mehrere Wasserinhaltsstoffe die Grenzwerte der Trinkwasserverordnung nicht einhalten. Was die Trinkwasserversorgungsunternehmen im großen Maßstab an Wasseraufbereitung installiert haben, wird mit Einschränkungen im Kleinmaßstab für Eigenwasserversorger von Fachfirmen angeboten. Die Einschränkungen beruhen auf der Tatsache, daß die teilweise aufwendigen Verfahrenstechniken, die von den Wasserversorgungsunternehmen durch entsprechende Meß- und Regeltechnik gesteuert werden, bei Anlagen für den Eigenwasserversorger finanziell nicht untergebracht werden können.

Bei den nachfolgend beschriebenen Wasseraufbereitungsmethoden werden Anlagen für Eigenwasserversorger beschrieben und sollen zum Verstehen der Verfahrenstechnik beitragen.

Entsäuerung

Grund- oder Brunnenwässer können durch den Boden, den sie durchwandern, sehr niedrige pH-Werte besitzen (auch niedriger als der Trinkwassergrenzwert von 6,5) und damit sauer reagieren. Verursacht werden diese niedrigen pH-Werte durch einen Überschuß an Kohlensäure. In natürlichen Mineralwässern ist die natürliche Kohlensäure in solch hohen Konzentrationen vorhanden, daß sie beim Öffnen der Flasche ausperlt. Hygienisch oder gesundheitlich bestehen gegen ein saures Wasser als reines Trinkwasser keine Bedenken, für eine technische Nutzung muß dieses Wasser jedoch entsäuert werden. Insbesondere das Korrosionsverhalten saurer Wässer ist enorm und zerstört jede metallische Installation. Eine Entsäuerung kann im Kleinanlagenbereich im wesentlichen durch 2 Methoden durchgeführt werden: einer Alkalisierung durch Laugen oder Entsäuerung durch Calciumcarbonate, auch eine Kombination aus beiden Verfahren ist möglich.

Bei der Entsäuerung mit Calciumcarbonaten (Kalk) löst die überschüssige Kohlensäure das Calciumcarbonat und bildet lösliches Calciumhydrogencarbonat. Die für den pH-Wert verantwortliche Kohlensäure wird so aus dem Wasser entfernt wobei gleichzeitig das Wasser aufgehärtet wird.

Arbeitsweise (siehe Bild 4): Das Rohwasser strömt durch den Rohwassereingang des Steuerventils in die Filterflasche und dann von oben nach unten durch das Filtermaterial. Das entsäuerte Reinwasser fließt durch die untere Verteilerdüse und das Steigrohr über den Reinwasserausgang in das Rohrleitungsnetz zurück. Beim Rückspülen wird das Filterbett von unten nach oben kräftig gespült und das Filterbett dadurch aufgelockert; während des Filterprozesses zurückgehaltene Verunreinigungen werden über den Kanalausgang am Steuerkopf ausgespült. Die Filteranlage muß spätestens alle sechs Tage rückgespült werden. Der Einsatz einer Entsäuerungsanlage ist auf weiche Wässer mit einem mittleren Kohlensäuregehalt beschränkt.

Enteisenung / Entmanganung

Eisen- und manganhaltige Grundwässer haben eine unappetitliche braune Farbe, hinterlassen auf sanitären Installationen nur schwierig entfernbare braune Flecken und verfärben die Wäsche. Eisen und Mangan liegen meist im Grundwasser in der 2-wertigen löslichen Form vor. Bei der Aufbereitung müssen sie zu 3-wertigem Eisen und zu 4-wertigem Mangan oxidiert werden, um dann als Eisen-III-hydroxid und als Braunstein (Mangandioxid) über Filter abfiltriert werden zu können. Um diese Reaktionen ablaufen lassen zu können, müssen optimale pH-Werte und ausreichende Oxidationsmittel zur Verfügung stehen.

Ein häufig genutztes Verfahren zur Enteisenung und Entmanganung (gerade bei Kleinanlagen) ist die Nutzung der Oxidationskraft des Kaliumpermanganats. Kaliumpermanganat ist ein 7-wertiges Mangan und oxidiert 2-wertiges Eisen und 2-wertiges Mangan zu dem jeweiligen unlöslichen Molekül, wobei Kaliumpermanganat selbst zu Braunstein reduziert wird. Zu beachten ist jedoch der notwendige pH-Wert, bei dem diese Reaktionen ablaufen können. Für Eisen gilt ein pH-Wert > 6,5; für Mangan gilt ein pH-Wert > 7,4.

Bei der Entmanganung spielt der Einfluß der in natürlichen Wässern vorkommenden Mikroorganismen eine wesentliche Rolle [4]. Die Mikroorganismen besitzen die Eigenschaft die freiwerdende Energie zwischen dem 2-wertigen und dem 4-wertigen Mangan für den eigenen Stoffwechsel zu nutzen und beschleunigen so den Oxidationsprozeß des Mangans. In geringerem Umfang gilt dies auch für eine Enteisenung.

Damit auch die biologischen Prozesse anlaufen können, ist oft mit einer Einfahrzeit von bis zu 6 Wochen für eine funktionierende Enteisenungs-/ Entmanganungsanlage zu rechnen.

Im Kleinanlagenbereich werden üblicherweise 2 Varianten zur Enteisenung und Entmanganung eingesetzt. Bei Eisengehalten unter 3 mg/l und Mangangehalten unter 0,1 mg/l reicht meistens ein Filterbehälter mit katalytischem Filtermaterial aus (siehe Bild 5). Das Filtermaterial besitzt eine oxidative und alkalisierende Wirkung und muß mit Kaliumpermanganat regelmäßig "regeneriert" werden. Sind die Eisen- oder Mangangehalte höher, wird eine getrennte "Filtration" des Eisens und Mangans in 2 Filterbehältern durchgeführt (siehe Bild 6). Bei dieser Fahrweise ist auch eine kontinuierliche Zugabe von Oxidationsmitteln (z.B. Kaliumpermanganat) notwendig.

Nitratreduzierung / Sulfatreduzierung

Weist die Analyse einen hohen Nitratgehalt aus - Nitrat ist in Gundwässern von Natur aus selten in hohen Konzentrationen vertreten - müssen wir davon ausgehen, daß die Nitratbelastung durch den menschlichen Einfluß in das Grundwasser gelangen konnte. Meist in Gebieten mit intensiver landwirtschaftlicher Düngung sind Nitratwerte über 50 mg/l zu finden.

Dagegen findet sich Sulfat als natürlich vorkommender Stoff im Grundwasser, meist als Calciumsulfat, insbesondere bei Grundwässern aus gipsführenden Schichten. Um Sulfat oder Nitrat aus dem Brunnen- bzw. Grundwasser auf den Trinkwassergrenzwert zu reduzieren, ist der Einsatz von Ionenaustauschern üblich. Mit diesem Verfahren werden wie bei der Enthärtung - wo Kationen gegen Natrium ausgetauscht werden - in diesem Falle die jeweiligen Anionen, entweder Nitrat oder Sulfat gegen Chlorid ausgetauscht. Je nach auszutauschendem Stoff werden spezielle Austauscherharze ausgewählt, die vorrangig die jeweiligen Ionen aufnehmen und dafür Chloride abgeben (siehe auch Bild 1: Aufbau einer Enthärtungsanlage).

Zur Sulfatentfernung hat sich in den letzten 2 Jahren die Nanofiltration als Alternative zum Ionenaustauscher empfohlen. Die Nanofiltration entfernt vorrangig die Sulfate aus dem Wasser. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Ionenaustauscher liegt eindeutig in den geringeren korrosionsfördernden Salzgehalten und der chemiefreien Anwendung (siehe auch Teilenthärtung und Salzreduktion mittels Membranverfahren).

Verminderung des Gesamtsalzgehaltes

Wässer mit einem hohen Salzgehalt überschreiten oft den Trinkwassergrenzwert von 2000 µS/cm. Diese Wässer sind unangenehm salzig im Geschmack, meist bitter und haben einen starken Einfluß auf die Korrosion bei metallischen Trinkwasserleitungen. Die Vorkommen in Deutschland sind auf die Küstenregionen und auf Grundwässer in der Nähe von Salinen beschränkt. Zur Aufbereitung dieser Wässer werden heute Membranverfahren eingesetzt, die sogenannte Umkehrosmose. Mit diesem Verfahren lassen sich Salzgehalte bis hin zum Meerwasser (3,5% Salzgehalt) zu Trinkwasser aufbereiten.

Mikrobiologie / Desinfektion

Ein wesentlicher Faktor für die Einhaltung der Trinkwasserqualität sind die mikrobiologischen Parameter. Werden die Grenzwerte der TrinkwV überschritten, sind Maßnahmen zur Desinfektion des Brunnens- oder Grundwassers zu treffen. Für die Eigenwasserversorger werden heute im wesentlichen 2 Desinfektionsverfahren angeboten: die Chlorung des Brunnenwassers mit Natriumhyphochlorit und die Bestrahlung des Wassers mit UV-Anlagen.

Chlorung: Bei der Chlorung wird das flüssige Natriumhyphochlorit wie bei der Dosierung von Mineralwirkstoffen (siehe Bild 2) mengengesteuert über einen Kontaktwasserzähler dem verkeimten Wasser zudosiert. Die Zugabe liegt im Regelfalle bei 0,5 bis 1,0 mg/l und hat an der Entnahmestelle (Wasserhahn) den Grenzwert von 0,3 mg/l nicht zu überschreiten. Die Chlordosierung ist heute immer noch die sicherste Methode, unerwünschte Keime oder Krankheitserreger abzutöten. Insbesondere die Depotwirkung des freien Chlors läßt unerwünschte Rekontaminationen im Leitungsnetz der Wasserversorgung nicht zu. Die Nachteile der Chlordosierung sind der als unangenehm wahrgenommene Chlorgeruch und die regelmäßige Überwachung der Chlorkonzentration an den Entnahmestellen, um die TrinkwV auch einzuhalten. Wegen diesen Nachteilen ist die Chlorung oft unerwünscht; hier kann die

UV-Desinfektion in den meisten Fällen eine Alternative sein. Bei der UV-Desinfektion beruht die abtötende Wirkung der Keime auf dem Einsatz einer Speziallampe, deren Strahlung - ähnlich der des Sonnenlichts - desinfizierend wirkt.

Die modernen UV Lampen verändern nicht die Qualität des Trinkwassers. Die keimtötende Wirkung wird heute mit Abtötungsraten von mehr als 99,99% angegeben. Den unbestreitbaren Vorteilen der UV-Desinfektion steht ein wichtiger Nachteil gegenüber: UV-Strahler haben keine Depotwirkung, das heißt sie wirken keimtötend innerhalb der UV-Anlage, nach der Anlage ist diese Eigenschaft nicht mehr vorhanden. Um ein einwandfreies Trinkwasser zu erhalten, ist vor Installation einer UV-Entkeimungsanlage immer eine Fachfirma hinzuzuziehen.

Dieser Rat gilt bei allen Fragen der Wasseraufbereitung oder Wasserbehandlung. Auf Grund Ihrer Erfahrungen bieten alle seriösen Wasseraufbereitungsfirmen eine Beratung und auch die Wartung und Betreuung der eingesetzten Verfahren an.

Im Rahmen dieser kurzen Artikel über Wasserchemie, Wasseranalytik und Wasseraufbereitung sind natürlich nicht alle möglichen Verfahren erläutert worden. Die Autoren wollten dazu beitragen, daß das uns geläufige Fachchinesisch in der Technik der Wasseraufbereitung dem Leser verständlicher wird.

* Dipl.-Ing. Friedrich W. Patocka und Jürgen Weißenburger, Mitarbeiter der Grünbeck
Wasseraufbereitung GmbH, 89420 Höchstädt / Donau.