mini|Wasseraufbereitung: Vom Fluss- zum Trinkwasser am Beispiel der Ruhr
Die Wasseraufbereitung ist die zielgerichtete Veränderung der Wasserqualität. Sie ist ein Teilgebiet der Verfahrenstechnik und umfasst im Wesentlichen zwei Gruppen der Behandlung:
Entfernung von Stoffen aus dem Wasser (z. B. Reinigung, Entkeimung/Sterilisation, Enteisenung und Entmanganung, Enthärtung, Entsalzung, Filtration); Ergänzung von Stoffen sowie Einstellen von Parametern des Wassers (z. B. Dosierung, Einstellung von pH-Wert, gelösten Ionen und der Leitfähigkeit). mini|Erfassung von Wasserwerten Die Wasseraufbereitung ist ein wesentlicher Verfahrensschritt bei der Produktion von Trinkwasser für den menschlichen Gebrauch (Trinkwasserversorgung). Siehe auch Trinkwasseraufbereitung.
Die Wasseraufbereitung wird auch eingesetzt zur Reinigung von Abwasser, speziell zur Rückgewinnung (Recycling) von z. B. Metallen (u. a. Edelmetallen) aus Abwasser. Ein weiteres Einsatzfeld ist die Bereitstellung von Prozesswasser für gewerbliche und industrielle Anwendungen, etwa als Kessel-, Kühl- oder Reinstwasser.
Definition der UNESCO In der deutschsprachigen Zusammenfassung des Weltwasserberichts von 2019 der UN-Unterorganisation UN-Wasser findet sich eine Definition für den Begriff „Wasseraufbereitung“:
Geschichte Die ersten Experimente im Bereich der Wasserfiltration gehen auf das 17. Jahrhundert zurück. Sir Francis Bacon versuchte Meerwasser zu entsalzen, indem er es durch einen Sandfilter fließen ließ. Obwohl dieses Experiment nicht geglückt war, markierte der Versuch den Beginn eines neuen Interessensgebiets. Die Väter der Mikroskopie, Antoni van Leeuwenhoek und Robert Hooke, verwendeten das neu erfundene Mikroskop, um zum ersten Mal suspendierte (gelöste) Teilchen im Wasser zu beobachten, und legten damit den Grundstein für das Verständnis durch Wasser übertragener Krankheiten.The use of the Microscope in Water Filter History. In: History of Water Filters, abgerufen am 15. Februar 2015.
Filter Der erste dokumentierte Gebrauch von Sandfiltern zur Reinigung von Wasser lässt sich auf das Jahr 1804 zurückführen. John Gibb, der Besitzer einer Bleicherei in Schottland, setzte den experimentellen Filter ein und verkaufte den ungewollten Überschuss.Filtration of Water Suplies. In: World Health Organization, abgerufen am 15. Februar 2015. Die Methode wurde in den darauffolgenden Jahrzehnten von privaten Wasserunternehmen weiterentwickelt. Die erste öffentliche Installation zur Wasserversorgung wurde schließlich 1829 vom Ingenieur James Simpson für die Chelsea Waterworks Company in London verwirklicht.History of the Chelsea Waterworks. In: UCLA Fielding, abgerufen am 15. Februar 2015 Die Installation versorgte die Haushalte in der Umgebung mit gefiltertem Wasser, und das Netzwerk wurde in der darauffolgenden Zeit oftmals kopiert, um Großteile der britischen Bevölkerung durch die neue Technologie zu erreichen.
Chlorung John Snow war der Erste, der Wasser erfolgreich mit Chlor desinfizierte. Auch William Soper verwendete 1879 Chlor, um die Abwässer von Typhuspatienten zu behandeln. In einer Arbeit aus dem Jahr 1894 empfahl Moritz Traube formell den Zusatz von Calciumhypochlorit zu Wasser, um es zu desinfizieren. Traubes Erkenntnisse konnten später repliziert werden.Frederick Eugene Turneaure, Harry L. Russell, D. W. Mead: Public Water-Supplies: Requirements, Resources, and the Construction of Works. John Wiley & Sons, Chapman & Hall, New York / London 1901. Die frühesten Versuche, die Chlorung von Wasser in einer Wasseraufbereitungsanlage zu implementieren, wurden 1893 in Hamburg angestellt.Typhoid Epidemic at Maidstone. In: Journal of the Sanitary Institute Nr. 18 (1897) Die permanente Chlorung von Wasser wurde erstmals 1905 angewandt, als ein defekter Filter in Lincoln zu einem Typhusausbruch führte. Die Chlorung des Wassers konnte die Verbreitung der Krankheit stoppen und die Behandlung wurde vorsorglich bis 1911 fortgeführt, als eine neue Wasserversorgungsanlage eingeführt wurde.miracle for public health. In: ICIS, abgerufen am 15. Februar 2015 Diese Form der „Schutz-Chlorung“ ist in Deutschland seit 1991 nicht mehr zulässig, weshalb je nach Einsatzgebiet Alternativen, wie Filtration, Ozonierung und UV-Strahlung verwendet werden. In: Umweltlexikon-Online vom Katalyse Institut für angewandte Umweltforschung, abgerufen am 15. Februar 2015
Verfahren der Wasseraufbereitung Die Aufbereitungsverfahren können wie nachstehend beschrieben gegliedert werden: mechanische Aufbereitung (z. B. Rechen, Siebe, Filter) physikalische Verfahren (z. B. Belüftung, Verdüsung, Sedimentation, Flotation, Adsorption, Vakuumverfahren, thermische Einwirkungen) chemische Verfahren (z. B. Oxidation, Desinfektion, Flockung, Entcarbonisierung, Ionenaustausch, Elektrodeionisation) Membranverfahren (z. B. Nanofiltration, Osmose) biologische Verfahren (biochemische Oxidation, Schlammfaulung, Belebtschlammverfahren, anaerobe Abwasserreinigung)
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über verschiedene Aufbereitungs-Prozesse und deren Anwendungszwecke.
Prozess Anlagenkomponente Zweck Adsorption Aktivkohlefilter Anlagerung von z. B. adsorbierbaren halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen (AOX) oder Farbstoffen Biochemische Verfahren Beispiel: Denitrifikation Ausnutzung biochemischer Vorgänge. In der Denitrifikation wird der Nitrat-Gehalt belasteten Rohwassers entweder durch Kohlenstoffzugabe im Untergrund oder in einem Reaktor vermindert. Desinfektion Sonderbecken, Zugabe in das Rohrnetz Zugabe von Chlor, Chlordioxid oder Ozon (früher teilweise auch Iod), UV-Bestrahlung oder Ultrafiltration Dosierung Dosieranlagen für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase Zugabe von Chemikalien zur gezielten Beeinflussung der Wasserbeschaffenheit, z. B. der Ablagerungstendenz oder KorrosionsneigungElektrokoagulationElektrokoagulationsanlageChemiefreie Aufbereitung von industriellen Ab- und Prozesswässern mittels elektrischer Spannung Entcarbonisierung Entkarbonisierungsanlage Reduzierung der temporären Härte zur Verminderung der Abscheidung von Calciumcarbonat auf Oberflächen der Rohrleitungen und Wärmeaustauscher Enthärtung Enthärtungsanlage, Nanofiltration Niederdruckumkehrosmose, CARIX-Verfahren Entfernung von Calcium- und Magnesiumionen (Ca2+ und Mg2+; Bei der Nanofiltration eingeschränkt) Entsalzung (Desalination) Entsalzungsanlage, Umkehrosmose Entfernung von Salzen z. B. zur Aufbereitung von Meerwasser zu Trinkwasser und zur Bewässerung Entsäuerung Entsäuerungsanlage Entfernung der aggressiven Kohlensäure. Dient der Vermeidung von Korrosion im Rohrnetz. Fällung Fällungsbecken bzw. Fällungsfiltration Umwandlung gelöster Stoffe in ungelöste Stoffe und anschließende Sedimentation oder Flockung. Filtration Filter, Sandfilter, Polstofffilter, Kerzenfilter, Anschwemmfilter, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration Entfernung von Schwebstoffen (Partikeln) u. a. Eisen oder Mangan Flockung Flockungsbecken Entfernung von Kolloidstoffen und feinen Schmutzpartikeln durch Zugabe von Flockungsmitteln (Entladung der Partikel) und Einstellung des pH-Wertes. Kann auch mit einer Filtration verbunden sein (Flockungsfiltration). Flotation Flotationsbecken Entfernung von feinen Schmutzpartikeln durch Einblasen von Luft Oxidation Belüftungsanlagen und Kiesfilter Entfernung von gelösten Eisen- und Manganionen (Enteisenung und Entmanganung). Das oxidierte Eisen- und Mangan lagert sich am Kies an und wird durch Rückspülen der Filter wieder entfernt. Sedimentation Sandfang, Absetzbecken Partikuläre Stoffe, Flocken aus der Flokkulation Selektivaustausch Ionenaustauscheranlagen mit speziellen Harzen z. B. Entfernung von Uran und anderen Schwermetallen aus dem Abwasser, Recycling von Metallen Siebung Rechen, Trommelsieb, Mikrosieb Entfernung von größeren Feststoffen und Schwimmstoffen Spezielle Behandlung Sonderbecken für verseuchte Abwässer Spezielle Behandlung von Abwässern, welche mit zunächst unbekannten Stoffen oder Lebewesen verseucht sind. Beispiele: Unbehandelte Abwässer aus Galvanisierungsbetrieben oder Fadenwürmer. Strippen Strippbecken Entfernung durch Einblasen von Luft/Gasen. Damit werden in Entsprechung des Dampfdruckes gelöste Wasserinhaltsstoffe in die gasförmige Phase übergeführt und somit aus dem Wasser entfernt. Vollentsalzung VE-Anlagen, Regenerierbare Mischbettaustauscher, Patronenaustauscher, Umkehrosmose, Elektrodeionisation Entfernung von Salzen z. B. zur Erzeugung von Rein- und Reinstwasser
Einsatzgebiete Die wichtigsten Verfahren sind vorstehend tabellarisch aufgelistet. Eine Anlage für die Aufbereitung von Wasser besteht aber selten aus nur einem einzelnen Verfahren, sondern sehr häufig aus mehreren. Die erforderliche Anzahl und Typ der Verfahren ist bedingt durch: Art und Qualität des Rohwassers und dessen gelösten und ungelösten Inhaltsstoffe Verwendungsart und Anforderungen für das aufbereitete Wasser (Reinwasser)
Rohwasser: Die wichtigsten Rohwasserlieferanten in Mitteleuropa sind: Grundwasser aus Flachbrunnen oder Tiefbrunnen Uferfiltrat aus oberflächennahen Flachbrunnen Oberflächenwasser aus Fließgewässern oder Seen und Talsperren
Oberflächenwasser, und davon besonders Fließwasser, enthält zumindest zeitweise (Hochwasserperioden) hohe Gehalte an ungelösten Partikeln. Organische Verunreinigungen können auch enthalten sein, obwohl diese durch die gesetzlichen Vorschriften für Direkteinleiter von Abwasser und für gereinigtes Abwasser inzwischen nur noch in geringer Höhe vorkommen. Bei See- und Talsperrenwasser ist dagegen der Gehalt an Ungelöstem und organischen Substanzen deutlich niedriger.
Grundwasser ist je nach Art der Bodenschichten, aus denen es gefördert wird, häufiger mehr oder weniger belastet durch gelöste Eisen- und Manganverbindungen und höheren Gehalten an freiem Kohlenstoffdioxid (CO2). Gelöste oder kolloidale organische Verbindungen sind, falls überhaupt, nur in geringen Maße vorhanden. Oberflächennahes Brunnenwasser kann, besonders in Bereichen mit sumpfigen Bodenschichten und von Deponien, aber auch höhere Konzentrationen an organischen Verunreinigungen enthalten.
Verwendung des Reinwassers Mit Ausnahme der Abwasseraufbereitung wird Reinwasser im Wesentlichen als Trinkwasser oder als Brauchwasser für Industrie und Gewerbe verwendet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Bewässerung in der Landwirtschaft, wobei hier das Wasser selten aufbereitet werden muss. Abhängig von den jeweiligen Anforderungen kann das Wasser verschiedene Aufbereitungsstufen- und Kombinationen durchlaufen, um die erforderliche Reinwasserqualität zu erreichen. Im Einzelfall kann die Qualität des Rohwassers für die Verwendung bereits ausreichend sein, sodass eine weitere Aufbereitung nicht notwendig erscheint. Vor allem bei der Erzeugung von Trinkwasser sind gesetzlichen und normativen Vorgaben (z. B. dt. Trinkwasserverordnung, DIN 2000) und die Anforderungen des Verteilnetzes maßgebend.