3.4 Anforderungen und Aufbereitung • Trinkwasser

Trinkwasser ist für den menschlichen Verbrauch aufbereitetes Grund-, Quell- oder Oberflächenwasser mit folgenden Anforderungen:

� darf bei lebenslangen Genuss menschliche Gesundheit nicht bein- trächtigen

� frei von Krankheitserregern

� kühl, farblos, geruchlos und ge-schmacklich einwandfrei

� geringer Anteil an gelösten Stoffen

� keine korrosive Wirkung

Inhaltsstoffe von Trinkwasser werden durch die TrinkwV 2001 festgelegt. Dabei erfolgt eine Unterteilung in:

� Stoffe, deren Konzentration sich im Verteilungsnetz nicht mehr erhöht (K)

� Stoffe, deren Konzentration im Verteilungsnetz anstei- gen kann (E)

� Indikatorstoffe (I)

Wassergewinnung Bundesrepublik Deutschland (BMU 2007)

65%

20%

9% 6%

Grundwasser

Oberflächenwasser

Quellwasser

Uferfiltrat

Ausgewählte chemische Grenzwerte für Trink-wasser nach der Trinkwasserverordnung (2001) in mg/L

Stoff Trinkwasser Mineralwasser

Aluminium I 0,2 -

Ammonium I 0,5 -

Antimon E 0,005 0,005

Arsen E 0,01 0,01

Barium - 1,0

Benzol K 0,001

Benzo[a]pyr. 0,01 µg/L

Blei 0,01 0,01

Bor K 1

Borat 30

Cadmium E 0,005 0,003

Chlorid I 250 -

Chrom K 0,05 0,05

Cyanid K 0,05 0,07

Eisen I 0,2 -

Fluorid K 1,5 5

Stoff Trinkwasser Mineralwasser

Kupfer E 2 1

Mangan I 0,05 0,5

Natrium I 200 -

Nickel E 0,02 0,02

Nitrat K 50 50

Nitrit E 0,5 0,1

Quecksilber K 0,001 0,001

TriCE, TCE K 0,01 -

THM E 0,05 -

PAK E 0,0001 -

Pestizide K 0,0005 -

Selen K 0,01 0,01

Sulfat I 240 -

H+-Ionen I 6,5 ≤ pH ≤ 9,5 -

I Indikatorstoffe

E Erhöhung der Konzentration im Verteilungsnetz möglich

K Keine Erhöhung der Konzentration im Verteilungsnetz

• Abwasser

Abwasser ist jedes durch

� häuslichen

� gewerblichen

� industriellen

� landwirtschaftlichen

und sonstigen Gebrauch in seinen natürlichen Eigenschaften verändertes und in die Abwasserkanalisation gelangtes Wasser. Dazu zählt auch abfließendes Niederschlagswasser. Üblicherweise wird zwischen industriel- lem und kommunalem Abwasser unter- schieden.

Abwasseranfall in Deutschland

Quelle Anteil (%)

Kühlwasser 55

Industrie und Gewerbe 33

Haushalte 10

Öffentliche Einrichtungen

2

Täglich fallen in Deutschland 90 ⋅ 106 m3 Abwasser an.

Mehr als die Hälfte des gesamten Abwassers ist ("thermisch verschmutztes") Kühlwasser.

Inhaltsstoffe von Abwasser entsprechend des Dispersionsgrades

Inhaltsstoffe entsprechend der mechanisch-biologischen Wasseraufbereitung Zehrstoffe � Stoffwechselprodukte, NH4

+

Nährstoffe � Phosphat, Nitrat, Mineralien

Schadstoffe � Schwermetalle, org. Xenobiotika

Störstoffe � hohe Salzbelastungen, Eisen

Mineralische und organische Schmutzstoffe

absetzbare Stoffe

nicht absetzbare Schwebstoffe

gelöste Stoffe

Nicht immer eindeutige

Abgrenzung möglich!

Typischer mittlerer Schmutzstoffgehalt von Abwasser in Deutschland (Bliefert, 2002)

Inhaltsstoffe (je Einwohner in g/d) Schmutzstoffe

mineralische organische gesamt

Absetzbare Stoffe 20 30 50

Schwebstoffe 5 10 15

gelöste Stoffe 75 50 125

Zusammen 100 90 190

Einleitung von Abwasser

kommunale Kläranlagen

Reinigung

Gewässer

eigene Kanalisation

ggf. Reinigung

Indirekteinleiter

öffentliche Kanalisation

Direkteinleiter

Gewässer/ Grundwasser

Einleiter

Wichtige Gesetze und Verordnungen des Gewässerschutzrechts

Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Benutzung und Schutz von Gewässern und Grundwasser, Entnahme und Einleitung von Wasser (Rahmengesetz)

Abwasserverordnung (AbwV) Mindestanforderungen an das Einleiten von

Abwasser in Gewässer

Abwasserabgabengesetz (AbwAG) Gesetz über Abgaben für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Gemeinden, Industrie)

Merkblatt-DWA-M 115 (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.)

Indirekteinleitung nicht häuslichen Abwassers in eine öffentliche Abwasseranlage

Verwaltungsvorschrift wassergefährdende Stoffe (VwVwS)

Einteilung von Stoffen in vier Wassergefährdungs-klassen (WGK 0 bis 3) entsprechend Toxizität, Beständigkeit und Verteilungsverhalten

Wasch- und Reinigungsmittelgesetz (WRMG) Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln

Detergenzienverordnung (EG) Nr. 648/2004 Anforderungen an die biologische Abbaubarkeit

Phosphathöchstmengenverordnung (PHöchstMengV)

In Wasch- und Reinigungsmitteln zugelassene Höchstmengen an Phosphaten

Anforderungen an das Einleiten von häuslichen und kommunalen Abwasser in Gewässer � aus kommunaler Kläranlage 1)

CSB BSB5 NH4-N Nges Pges Proben nach Größenklassen der Abwasserbehandlungsanlagen

mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L

Größenklasse 1 < 60 kg/d BSB5 (roh) 2)

150 40 - - -

Größenklasse 2 60 bis 300 kg/d BSB5 (roh) 2)

110 25 - - -

Größenklasse 3 > 300 - 600 kg/d BSB5 (roh) 2)

90 20 10 - -

Größenklasse 4 > 600 - 6.000 kg/d BSB5 (roh)2)

90 20 10 18 2

Größenklasse 5 > 6.000 kg/d BSB5 (roh) 2)

75 15 10 13 1

1) qalif. Stichprobe oder 2h-Mischprobe 2)

BSB5(roh): Fracht des unbehandelten Schmutzwassers

Mindestanforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer

Nr. Anwendungsbereich Anforderungen in mg/L

11 Brauereien BSB5: 25 CSB: 110 NH4-N: 10 Nges: 18 Pges: 2

31 Wasseraufbereitung, Kühlsysteme, Dampferzeugung

CSB: 30/40/50 Pges: 1,5/3 Nges: 10 AOX: 0,15/0,2/0,5 As: 0,1 Cd: 0,05 Crges: 0,5

Cu: 0,5 Ni: 0,5 Pb 0,1 V : 4 Zn: 1/4 Hydrazin: 2 Cl2: 0,2

40 Metallbearbeitung, Metallverarbeitung

AOX: 1 Ag: 0,1 As : 0,1 Cd: 0,1/0,2 Crges: 0,5 Ni: 0,5

Pb: 0,5 Sn: 2 Zn : 2 CN-: 0,2 S2-: 1

Richtwerte für Einleitungen nicht häuslichen Abwassers in öffentliche Abwasseranlagen (Auswahl), Merkblatt DWA-M 115-2

Parameter Richtwert

pH-Wert 6,5 ≤ pH ≤ 10

Temperatur 35 °C

Verseifbare Öle und Fette 300 mg/L

Kohlenwasserstoffe 100 mg/L

AOX 1 mg/L

LHKW 0,5 mg/L

Phenole 100 mg/L

TOC - organische Lösemittel 10 g/L

Aluminium keine Begrenzung

Antimon 0,5 mg/L

Arsen 0,5 mg/L

Parameter Richtwert

Blei 1 mg/L

Cadmium 0,5 mg/L

Chrom (gesamt) 1 mg/L

Chrom (VI) 0,2 mg/L

Cobalt 2 mg/L

Eisen keine Begrenzung

Kupfer 1 mg/L

Nickel 1 mg/L

Quecksilber 0,1 mg/L

Zinn 5 mg/L

Zink 5 mg/L

Ammonium-N 1) 100/200 mg/L

Cyanid 1 mg/L

Fluorid 50 mg/L

Parameter Richtwert

Nitrit-N 10 mg/L

Phosphor, gesamt 50 mg/L

Sulfat 2) 600/3000 mg/L

Sulfid 2 mg/L

1) Je nach Einwohnerzahl für Kläranlage (Richtwert 5000)

2) Je nach Beton der Kläranlage

Wassergefährdungsklassen nach VwVwS (Anhang 1)

Klasse Bezeichnung Beispiele

WGK 3 stark wassergefährdend Altöl, Benzol, DDT, Natriumcyanid, Hg2+

WGK 2 wassergefährdend NH3, Diesel, Phenol, Pb(ac)2, CuSO4

WGK 1 schwach wassergefährdend KNO3, NaF, H2SO4, Na3PO4, Methanol,

WGK 0 im Allgemeinen nicht wassergefährdend Aceton, CaSO4, NaCl, Ethanol, Glycerin, KCl, K2SO4, Paraffine

Abkürzungen für wichtige Gruppen von organischen Schadstoffen

AOX (an Aktivkohle) adsorbierbare organisch gebundene Halogene

EOX extrahierbare organisch gebundene Halogene (� POX)

BTEX aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole)

BTX aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol, Xylole)

KW Kohlenwasserstoffe

LHKW leichtflüchtige halogenierte Kohlenwasserstoffe (C1, C2)

LCKW leichtflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe

MKW Mineralölkohlenwasserstoffe

PAK polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe

PCB polychlorierte Biphenyle

PCDD polychlorierte Dibenzodioxine

PCDF polychlorierte Dibenzofurane

PSM Pflanzenschutzmittel

Konzentrationsangaben von Wasserinhaltsstoffen Mitunter erfolgt keine Konzentrationsangabe der tatsächlich vorliegenden Verbindungen, sondern der darin enthaltenen Elemente (z. B. N, P oder C)

C-gesamt (TOC, TIC)

P-gesamt (H2PO4-N, HPO4-N, PO4-N)

N-gesamt (NO3-N, NO2-N, NH4-N, org.-N)

Cr-gesamt (Cr-III, Cr-VI) Berechnen Sie die Gesamtstickstoffkonzentration c(N-gesamt) in einer Wasserprobe, die die folgenden Ionen enthält (Der Gehalt an organischen Stickstoffverbindungen soll vernachlässigt werden): c(NO3

-) = 47 mg/L und c(NH4+) = 12 mg/L

Adsorption von organischen Halogenverbindungen (AOX) Der AOX-Wert ist ein Maß für den Anteil an organischen Halogenverbindungen, die an Aktivkohle adsorbieren.

Er wird in µg oder mg Chlor je Liter Abwasser angegeben. Die Bestimmung des Chlors erfolgt durch Verbrennung der adsorbierten Halogenverbindungen und Analyse des gebildeten Chlorids! Berechnen Sie den AOX-Wert eines Abwassers, welches 5 mg/L Tetrachlor-ethylen enthält!

• Wasseraufbereitung

Zur Trinkwassergewinnung und Abwas- serreinigung stehen eine Vielzahl von Aufbereitungsverfahren zur Verfügung:

� physikalische Verfahren, einschließ- lich mechanischer Aufbereitung

� Membranverfahren

� biologische Verfahren

� chemische Verfahren

Anzahl und Typ der Verfahren in einer Aufbereitungsanlage sind abhängig

� vom Rohwasser und dessen gelös- ten und ungelösten Inhaltsstoffen

� von der Verwendungsart und den Anforderungen an das aufbereitete Wasser (Trink-, Brauch- und Abw.)

Verteilungsgrad und Reinigung (Neitzel, Iske 1998) Lösungen

Kolloide

Schwebstoffe

Grobstoffe

⋅ ⋅ . . ⋅ ⋅⋅ .

100 10 1 mm 100 10 1 µm 100 10 1 0,1 0,01 nm

Grobstoffe (Sink- und Schwimmstoffe) : mechanische Abtrennung

Schwebstoffe : biologische Reinigungsstufe, Filtration

Kolloid gelöste Stoffe : biologische Reinigung, Flockung, Membranverfahren

Echt gelöste Stoffe : biologische Reinigung, chem. Fällung

Prozesse der Wasseraufbereitung und ihre Anwendungen

Prozess Anlagenkomponente Zweck

Siebung Rechen, Trommelsieb, Mikrosieb

Entfernung von größeren Feststoffen und Schwimmstoffen

Sedimentation Sandfang, Absetzbecken Absetzen kleinerer Schwimmstoffe, Sand, geflockter Schwebstoffe

Aufschwimmen Fett- und Ölabscheider Phasentrennung von öl- und fetthaltigen Schwimm-stoffen

Flotation Flotationsbecken Entfernung von feinen, hydrophoben Schmutzpar-tikeln durch Einblasen von Luft, Aufschwimmen

Flockung Flockungsbecken Entfernung von kleinsten, kolloiden Partikeln durch Zusammenlagerung nach Zugabe von Flockungs-mitteln, kann auch mit einer Filtration verbunden sein (Flockungsfiltration)

Filtration Membranverfahren

Filter, Sandfilter,Kerzenfilter, Anschwemmfilter, Mikrofiltration, Ultrafiltration Nanofiltration, Umkehrosm.

Entfernung von Schwebstoffen (Partikeln) u. a. Fe oder Mn Trübung, Mikroorg. (Quell- und Talsperrenwasser); Teilenthärtung, Entfernung Cl-, NO3

-, SO42-, Silicat

Adsorption Aktivkohlefilter Anlagerung von z. B. adsorbierbaren halogenierten Kohlenwasserstoffverbindungen (AOX) oder Farbstoffen

Strippen Strippbecken Entfernung von leicht flüchtigen, gelösten Wasserinhaltsstoffen durch Einblasen von Luft/Gasen, Überführung in die gasförmige Phase

Prozess Anlagenkomponente Zweck

Fällung Fällungsbecken bzw. Fällungsfiltration

Umwandlung gelöster Stoffe in ungelöste Stoffe und anschließende Sedimentation oder Flockung

Oxidation Belüftungsanlagen und Kiesfilter

Entfernung von gelösten Eisen- und Manganionen (Enteisenung und Entmanganung), oxidiertes Eisen- und Mangan lagert sich am Kies an und wird durch Rückspülen der Filter wieder entfernt

Entsäuerung Entsäuerungsanlage Entfernung der aggressiven Kohlensäure, Ausgasen oder Filtration über CaCO3, auch Zugabe von NaOH, Na2CO3, Ca(OH)2, dient der Vermeidung von Korrosion im Rohrnetz

Enthärtung Enthärtungsanlage, Nanofiltration, Niederdruckumkehrosmose

Entfernung von Ca2+ und Mg2+ (bei der Nano-filtration eingeschränkt)

Entcarbonisierung Entcarbonisierungsanlage Reduzierung der temporären Härte zur Vermin-derung der Abscheidung von Calciumcarbonat auf Oberflächen der Rohrleitungen und Wärmeaus-tauscher, Zugabe HCl, Ca(OH)2 u. a.

Vollentsalzung VE-Anlagen, regenerierbare Mischbettaustauscher, Patronenaustauscher, Umkehrosmose, Elektrodeionisation

Entfernung von Salzen z. B. zur Aufbereitung von Meerwasser zu Trinkwasser und zur Bewässerung, zur Erzeugung von Rein- und Reinstwasser

Prozess Anlagenkomponente Zweck

Desinfektion Sonderbecken, Zugabe in das Rohrnetz

Entkeimung durch Chlor-, Chlordioxid- oder Ozonzugabe, durch UV-Bestrahlung oder durch Ultrafiltration

Selektivaustausch Ionenaustauscheranlagen mit speziellen Harzen

z. B. Entfernung von Uran und anderen Schwermetallen aus dem Abwasser, Recycling von Metallen

Dosierung Dosieranlagen für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase

Zugabe von Chemikalien zur gezielten Beeinflussung der Wasserbeschaffenheit, z. B. der Ablagerungstendenz oder Korrosionsneigung

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

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

Trinkwassergewinnung Grundlagen � Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch, TrinkwV 2001 � DIN 2000, Zentrale Trinkwasserversorgung, Leitsätze für Anforderungen an Trinkwasser, Planung, Bau und Betrieb der Anlagen � Anforderungen an das Verteilungsnetz

Reinigung kommunaler Abwässer (Bliefert, 2002)

Sperrige Feststoffe

schnell absetzbare Feststoffe

Sedimentation organischer Stoffe (Primärschlamm)

Abbau organischer Stoffe durch areobe Bakterien, Luftzufuhr

Abtrennung des Belebtschlamms, tw. Rückführung

Flockung, Fällung, Oxidation, Aktivkohlefil-ter (AOX), Desinfektion u. a.

50 - 65 % Schwebstoffe, 20 - 40 % BSB5

Bis zu 90 % Schwebstoffe und BSB5

Typische Trinkwasseraufbereitungsanlage für Oberflächenwasser als Rohwasser Mechanische Rechen und Trommelfilter oder Siebbandanlagen Vorreinigung

Entcarbonisie- bei zu hohem Gehalt an Carbonathärte rungsanlage

Belüftungsstufe Oxidation und Ausfällung von Eisen- und Manganverbin- dungen als Oxidhydrate (insbes. bei Brunnenwasser!)

Erhöhung des Sauerstoffgehaltes � Verringerung der Korrosionsgefahr der Rohrnetze (Eisen) durch Bildung einer Kalkrostschutzschicht

Flockung Verbesserung der Reinigungswirkung der Filterstufe

Filterstufe Abtrennung der ungelösten Substanzen

Desinfektion des Reinwassers

Direkte Gewässerbelastung ohne Klärung � Dünger und Pflanzenschutzmittel auf Feldern � Kohlenwasserstoffe � Schwermetalle (Blei) � Nitrate, Sulfate aus der Luft � Auslaugungen von Abraumhalden, Industrieschlämmen und Mülldeponien � säurehaltige und salzhaltige Abwässer

Entfernung von Nitrat und Phosphat Nitrat: Biochemische Entfernung mehrere nacheinander geschaltete Stufen der anaeroben (kein O2) Denitrifikation und aeroben Nitrifikation

NO3- � NO2

- � NO � � N2O � � N2 �

(−CH2−)org + 2 NO3- � CO2 + N2 + H2O

NH4

+ + 2 O2 � NO3- + H2O + 2 H+

Phosphat: Fällung mit Al2(SO4)3, FeCl3, Fe2(SO4)3, Ca(OH)2 Insgesamt Entfernung von ca. 90 % der Phosphate

Fe3+ + PO43- � FePO4 �

5 Ca2+ + 3PO42- + OH- � Ca5(PO4)3OH (Apatit)

Flockung und Fällung Flockung Kolloide Teilchen < 10 µm können durch Flockung in eine

absetzbare oder filtrierbare Form gebracht werden

Bindung der Kolloide an Polyelektrolyte, so dass größere, leicht abtrennbare Teilchen entstehen

Fällung Abtrennung von Schwermetallionen wie Cu2+, Cr3+, Ni2+, Pb2+,

Cd2+, Zn2+ als schwerlösliche Hydroxide

Fällungsreagenzien NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3

Zn2+ und Cr3+ bilden Hydroxokomplexe!, Fällung mit Ca(OH)2

liefert schwerlösliche Ca-Hydroxokomplexe!

Cr2O72- muss zuvor mit Fe2+ oder HSO3

- zu Cr3+ reduziert werden

Bei Anwesenheit von EDTA (Waschmittel) können stabile wasserlösliche Komplexe entstehen, Verwendung von S2- anstelle von OH- zur Fällung

Welcher pH-Wert eines Abwassers muss mindestens zur Fällung von Cu(OH)2 eingestellt werden, damit der Grenzwert von 0,5 mg/L Cu2+ für die Einleitung in Gewässer nicht überschritten wird? KL(Cu(OH)2) = 1,6 ⋅ 10-19 mol3 / L3, M(Cu) = 63,5 g/mol

Desinfektion Drei wesentliche Verfahren Chlorung: Cl2 + H2O � H+ + Cl- + HOCl HOCl � H+ + Cl- + O

0,1 - 0,2 mg/L Restgehalt, Desinfektion in Rohrleitungen

Bildung organischer Chlorverbindungen Einsatz von ClO2: ClO2 � ClO + O

langsame Reaktion, Bildung chlorierter Produkte

Entstehung gesundheitsschädlicher ClO2--Ionen

Ozonisierung: O3 � O2 + O

Inaktivierung von Viren

keine Geschmacksbeeinträchtigung von Trinkwasser

Bildung von Nitrosaminen!

Entfernung des O3-Überschusses und "Sicherheitschlorung"