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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"