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Das Wasserwerk

Bei der Trinkwasseraufbereitung in den großen Wasserwerken kommt eine Vielzahl von Verfahren und Verfahrenskombinationen zum Einsatz, die im wesentlichen die folgenden drei Aufgaben erfüllen sollen:

1) die Entfernung von Verunreinigungen z.B. von Sand, Mikroorganismen, Farb- und Geschmackstoffen wie z.B. Eisen und Mangan.

2) die Stabilisierung, die sicherstellen soll, daß sich die Beschaffenheit des Wassers während seiner Verteilung und dem Gebrauch nicht verändert. Korrosionsschäden sollen vermieden werden. Das Wasser wird belüftet, enthärtet bzw. entsäuert. Beispielsweise enthält Grundwasser oft zuviel CO2 und damit einen zu hohen Gehalt an Säure, wodurch die Rohrleitungen angegriffen würden, daher wird dem Wasser Kalk zugesetzt.

3) die Hygienisierung, die besonders bei Oberflächengewässern und Uferfiltraten, unerwünschte Keime entfernen und eine Verkeimung im Leitungsnetz verhindern soll. Entfernung von Verunreinigungen Wesentliche Voraussetzung jeder Wasseraufbereitung ist die Entfernung von Grobstoffen und organischen Mikroverunreinigungen. Folgende Verfahren werden zur Entfernung dieser Stoffe aus dem Wasser angewendet:

Durch Rechen werden bei der Siebung grobe Teilchen (Durchmesser größer als 0,05 mm) entfernt. Eine Vorreinigung findet durch Grobrechen statt (parallele Stäbe in 5 cm Abstand), es folgen Feinrechen (2 cm Abstand) und Mikrosiebe (Metall oder Kunststoffgewebe mit einer Maschenweite bis zu 10 Mikrometern). Durch die Mikrosiebe wird z.B. auch Plankton aus Oberflächengewässern zurückgehalten.

Wasserwerk mit Oberflächenwassernutzung
Beispiel eines Wasserwerkes mit Oberflächenwassernutzung

Die Sedimentation

Bei der Sedimentation durchläuft das Wasser sehr langsam sog. Absetzbecken, in denen sich nicht gelöste Partikel absetzen. Da viele sehr kleine Teilchen (Feinststoffe) und kolloidale Verunreinigungen für die Sedimentation zu leicht sind bzw. durch Filter nicht zurückgehalten werden, setzt man Flockungsverfahren ein. Die meist negativ geladenen Feinstoffe werden durch die Zugabe positiv geladener Flockungsmittel neutralisiert. Die dadurch ungeladenen Teilchen verbinden sich nun zu größeren Flocken, die filtriert oder sedimentiert werden können. Flockungsmittel sind z.B. Aluminiumsulfat (Al2 (SO4)3), Eisenchlorid (FeCI3) oder Eisensulfat (Fe2(SO4)3).

Gelöste anorg. Stoffe können durch Zusatz von Fällungsmitteln mit anschließender Filtration beseitigt oder durch Ionenaustauscher entfernt werden.

Die Filtration

Die Filtration hat bei der Wasseraufbereitung einen wichtigen Stellenwert. Hier werden Schwebstoffe, Ausfällprodukte und andere Rückstände der Enteisenung, Entmanganung, Entsäuerung und Enthärtung eliminiert.

Es gibt unterschiedliche Filterarten: Mit den sogenante Langsamfiltern werden die natürlichen Reinigungsprozesse im Boden nachgeholt bzw. nachgebildet. Diese Art der Filtration ist die klassische Verfahrensstufe der Oberflächenwasseraufbereitung, in der die biologischen Abbauvorgänge besonders effizient ablaufen. Deshalb benutzt man bei der künstlichen Grundwasseranreicherung auch häufig Langsamsandfilter als Versickerungsbecken. Findet vor der Filtration eine Oxidation z.B. durch Ozon statt, so werden biologisch schwer abbaubare Stoffe in biologisch leicht abbaubare umgewandelt, die dann bei der nachfolgenden Filtration durch Mikroorganismen entfernt werden.

Als Filtermaterial wird Quarzsand in 0,8-1,2 m hoher Schüttung verwendet (Langsamsandfiltration). Auf der obersten Sandschicht entsteht ein Gemisch aus sedimentierten Sink- und Schwebstoffen, die mit Bodenbakterien durchsetzt sind. Die Durchflußgeschwindigkeit sollte kleiner als 10 cm/h sein. Beim Durchlaufen der Filter spielen neben physikalischen Vorgängen wie Sedimentation, Adsorption und Filtration auch biologische und chemische Prozesse eine Rolle, die hauptsächlich in der obersten Sandschicht stattfinden. Hier kommt es zum Abbau organischer Substanzen, Keim-verminderung und Oxidation (z.B. von Ammonium zu Nitrat). Je nach Verschmutzungsgrad des Wassers muß nach einigen Wochen bis Monaten die oberste Sandschicht von 2-3 cm Dicke abgetragen und gewaschen werden, damit der Filter weiterarbeiten kann.

Im Gegensatz zu den Langsamfiltern werden in den Schnellfiltern die Verunreinigungen hauptsächlich mechanisch durch das Filterkorn zurückgehalten.

Wegen der hohen Durchflußgeschwindigkeit (4-50 m/h) spielen biologische Abbauprozesse in den Filtern nur eine untergeordnete Rolle. Die Filter sind durch Spülen mit Luft und Wasser gegen die Fließrichtung zu reinigen. Als Filtermaterialien dienen vor allem Quarzsand oder Quarzkies, die mit Anthrazit, Bims, Filterkoks, Granitsand u.a. kombiniert werden können.

Oxidationsverfahren

Seit Beginn der Trinkwasserversorgung gehört die Oxidation zu den wichtigsten Aufbereitungsverfahren. Schon damals war bekannt, dass mit Hilfe von Chlor, Chlordioxid und Ozon ein bakteriologisch einwandfreies Trinkwasser hergestellt werden kann.

Neben deren desinfizierender Wirkung, auf die bei der Hygienisierung des Wassers noch eingegangen wird, gehen diese Stoffe auch Oxidationsreaktionen mit organischen und anorganischen Wasserinhaltsstoffen ein, die dadurch dem Wasser entzogen werden können.

Schwer abbaubare organische Substanzen können durch Oxidation zu leichter abbaubaren Bruchstücken zerlegt werden, die dann weiteren Reinigungsschritten zugänglich gemacht werden können. Neben Chlor, Chlordioxid und Ozon werden noch Kaliumpermanganat und Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel eingesetzt.

Die Oxidationsverfahren werden meist als zusätzlicher Aufbereitungsschritt nach Uferfiltration bzw. künstlicher Grundwasseranreicherung angewendet. Die Effizienz all dieser Verfahren ist sehr unterschiedlich. Für jedes spezielle Problem muß das geeignete Mittel empirisch ermittelt werden. So werden z. B.:

Bei der Oxidation mit chemischen Substanzen muß bekannt sein, welche Stoffe im Rohwasser vorhanden sind, da die Dosierung genau auf Menge und Art der Wasserinhaltsstoffe abgestimmt sein muß, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. So wird beispielsweise durch die Anwesenheit von Huminsäuren im Wasser die Oxidationswirkung von Ozon geschwächt.

Bei wechselnder Beschaffenheit des Rohwassers ist es demnach schwierig, mit einer fest eingestellten Anlage die chemischen Prozesse unter Kontrolle zu halten. Dies gilt insbesondere für Oberflächengewässer, in die täglich andere Stoffe und Stoffmengen eingeleitet werden. Um unvorhergesehene Probleme bei der Aufbereitung zu vermeiden, ist es daher empfehlenswert, das Oberflächenwasser durch eine kurze Bodenpassage vorzureinigen. Es ist auch zu beachten, daß die Verminderung schwer abbaubarer Substanzen durch Umsetzung mit Chemikalien (insbesondere mit Oxidationsmitteln) immer die Gefahr der Neubildung weiterer Schad-stoffe birgt (Darstellung typischer Reaktionsprodukte der Oxidation mit Chlor, Chlordioxid und Ozon siehe im Abschnitt "Desinfektion").

Wegen der bestehenden Risiken sollte so oft wie irgend möglich auf biologische Reinigungsverfahren ausgewichen werden.

Adsorptionsverfahren

Von den vorhandenen Adsorptionsverfahren mit Aktivkohle, Adsorberharz und Aluminiumoxid spielt das mit Aktivkohle bei der Aufbereitung im Wasserwerk die zentrale Rolle. Obwohl die Adsorption strenggenommen ein anderes Trennverfahren bezeichnet als die Filtration, wird wegen der ähnlichkeit der Prozesse und Vorrichtungen auch häufig von Filtration gesprochen. Wir werden deshalb im folgenden auch die Worte Aktivkohlefilter oder Aktivkohlefiltration gebrauchen, wenn Adsorption an Aktivkohle gemeint ist.

Aktivkohle wird ebenso wie die Oxidationsverfahren erst Anfang der sechziger Jahre in größerem Maßstab zur Trinkwasseraufbereitung eingesetzt, weil durch die zunehmende Verschmutzung der Rohwässer die natürliche Reinigungswirkung der Bodenpassage allein nicht mehr ausreichte, um qualitativ einwandfreies Trinkwasser zu liefern.

Mit Hilfe der Aktivkohlefilter lassen sich besonders hochsiedende, unpolare, chlorierte Kohlenwasserstoffe, chlorierte Pestizide und halogenierte Ethylenverbindungen zurückhalten (HAB77, 5.84). Doch auch Nitrosamine, Chlor und Ozon werden gut aus dem Wasser entfernt. Welche der im Wasser enthaltenen Verunreinigungen beseitigt werden, hängt in starkem Maße vom verwendeten Aktivkohletyp ab, denn diese zeigen sehr unterschiedliche Wirksamkeiten gegenüber einzelnen organischen Verbindungen. Die am besten geeignete Kohleart für jedes spezielle Rohwasser muß erst empirisch ermittelt werden.

Für die niedrigsiedenden Haloforme, die als unerwünschte und gesundheitsschädliche Nebenprodukte bei der Trinkwasserchlorung und -ozonung entstehen, zeigt z.B. hochaktivierte Aktivkohle, jedoch nur in der Anfangsphase der Filtration, gute Wirkungsgrade. Bei zunehmender Beladung mit herausfiltrierter, organischer Substanz können die bereits adsorbierten, leichtflüchtigen Haloforme von besser adsorbierbaren, schwerflüchtigen Verbindungen verdrängt und wieder freigesetzt werden. Es kommt zum Filterdurchbruch. Dieser Verdrängungseffekt (Chromatographieeffekt) tritt nicht nur bei leichtflüchtigen Verbindungen auf. Es ist ein generelles Problem der Reinigung von Stoffgemischen. Um solche Durchbrüche zu vermeiden, muß daher der Beladungszustand der Filter mit Schadstoffen ständig kontrolliert werden.

Aktivkohlefiltierung im Doppelschichtverfahren
Aktivkohlefiltierung im Doppelschichtverfahren

Bei stark verunreinigten Rohwässern können selbst durch die Bodenpassage in Kombination mit der Aktivkohlefiltration nicht alle unerwünschten Substanzen entfernt werden. Um den Wirkungsgrad der Aktivkohle zu verbessern, wird dann eine weitere Behandlungsstufe, z.B. die Oxidation, vor- oder nachgeschaltet. Für manche Stoffe wird erst dadurch eine Adsorption an der Aktivkohle ermöglicht. Neben der Adsorption von Schadstoffen können in Aktivkohlefiltern auch biologische Abbau-prozesse stattfinden.

Die bereits adsorbierten organischen Substanzen bieten einen guten Nährboden für das Wachstum von Bakterien, die mit zur Schadstoffeliminierung beitragen können. Aus hygienischer Sicht ist ein Bakterienwachstum in den Filtern jedoch unerwünscht, da es zu einer Verkeimung des Wassers führt. Durch die Auswahl eines entsprechenden Aktivkohletyps wird daher versucht, diesen Effekt größtenteils zu vermeiden.

In deutschen Wasserwerken wird überwiegend körnige Aktivkohle im Festbett angewendet. Das zu reinigende Wasser fließt mit einer Geschwindigkeit von 20-40 Metern pro Stunde durch eine 2 bis 3 Meter dicke Schicht aus gebrochener körniger Aktivkohle, die auf ein Filterelement (z.B. eine Kiesstützschicht) aufgebracht ist. Hier sind gut vorgereinigte Rohwässer notwendig, da bei zu hohen Gehalten an Trübstoffen die Filter sehr rasch verstopfen.

Eine bewährte Konstruktion stellt auch der Doppelschichtfilter dar. Er enthält zwei getrennte, übereinander angeordnete Aktivkohleschichten, die getrennt erneuert werden können. Die beiden Schichten haben unterschiedlichen Funktionen. In der oberen erfolgt im allgemeinen die Entfernung von Chlor, Mangan und Trübstoffen. In der nachgeschalteten und dadurch reineren, unteren Schicht werden vorwiegend organische Verunreinigungen adsorbiert. Da die obere Filterschicht in der Regel vor der unteren erschöpft ist, können Durchbrüche hier besser kontrolliert und vermieden werden.

Die Wirkung der Aktivkohlefiltration beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Adsorption organischer Mikroverunreinigungen. Schweb- und Trübstoffe werden ebenfalls durch rein mechanische Filterung aus dem Wasser entfernt. Auch eine Feinenteisenung und Feinentmanganung wird bewirkt. Eisen und Mangan werden an der Aktivkohlenoberfläche katalytisch oxidiert und als unlösliches Oxid oder Hydroxid abgeschieden.

Stabilisierung des Wassers Unter der chemischen Stabilisierung des Wassers versteht man Maßnahmen, die die einwandfreie Qualität des aufbereiteten Trinkwassers für den Zeitraum seiner Verteilung und Nutzung durch den Konsumenten sicherstellen. Langjährige Erfahrungen haben gezeigt, daß bestimmte Wässer auf Grund ihrer chemischen Eigenschaften die Materialien, aus denen das Rohrleitungsnetz besteht (z.B. Metalle und Asbestzement), angreifen und dabei die Metalle Eisen, Blei, Zink, Cadmium und Kupfer sowie Asbestzementfasern aus den Rohrwandungen herauslösen und aufnehmen.

Neben der Gewährung einer einwandfreien hygienischen Trinkwasserqualität muß es daher Ziel der Trinkwasseraufbereitung sein, die chemischen Eigenschaften des Wassers so einzustellen, daß eine Qualitätsbeeinträchtigung, z.B. durch Korrosionsschäden am Verteilernetz, vermieden werden. Dies ist gewährleistet, wenn sich im Rohrnetz eine Schutzschicht aus "Kalk" (Calcium- und Magnesium-carbonaten) ausbilden kann. Ob dies geschehen kann, ist vom pH-Wert des Wassers, seiner Carbonathärte, seinem Gehalt an freier Kohlensäure und seinem Sauerstoffgehalt abhängig.

Entsäuerung

In der Regel haben Wässer mit einem pH-Wert unter 7 (saure Wässer) materialangreifende Eigenschaften. In Abhängigkeit von Härte- und Kohlensäuregehalt werden verschiedene Entsäuerungsverfahren angewendet. Bei der chemischen Entsäuerung wird durch Zugabe alkalischer Substanzen, z.B. Calciumhydroxid, die im Wasser enthaltene überschüssige Kohlen- säure, die für die Aggressivität des Wassers gegenüber Rohrleitungen mitverantwortlich ist, neutralisiert.

Auch durch Filtration über halbgebranntem Dolomit oder über Marmor wird das Kalk- Kohlensäure-gleichgewicht so eingestellt, daß das Wasser die Rohrleitungen nicht angreift bzw. sich eine schützende Kalkschicht bilden kann. Neben diesen chemischen Verfahren existieren noch die physikalischen Verfahren der Verrieselung, der Verdüsung, der Belüftung oder des Versprühens. Hierbei wird das Kohlendioxid (CO2) aus dem Wasser ausgetrieben. Die Entsäuerung durch mechanische Belüftung reicht im Falle stark saurer Wässer jedoch meist nicht aus.

Enteisenung und Entmanganung des Trinkwassers Die im Wasser enthaltenen Eisen- und Manganverbindungen lagern sich an den Rohrinnenwänden ab. Besonders in Verbindung mit hartem Wasser entstehen starke Deckschichten, auf denen sich Eisen- und Manganbakterien ansiedeln können, was zu erheblichen Rohrverengungen führen kann. Mit zunehmendem Bakterienwachstum erhöht sich selbstverständlich auch die Gefahr der Verkeimung des Trinkwassers und der biologisch verursachten Korrosion.

Vor der Einspeisung in das Rohrnetz wird deshalb das Wasser in der Regel von Eisen und Mangan befreit. Die Enteisenung sauerstoffarmer Wässer kann durch Sauerstoffeintrag mittels Verriese- Verdüsung oder durch Belüftung erfolgen. Das bei Sauerstoffmangel (zweiwertig) vorliegende Eisen wird durch den Luftsauerstoff oxidiert, und es entsteht schwerlösliches Eisen-(III)-hydroxid, das sich mit Hilfsmitteln zu größeren Flocken verbindet. Diese Flocken können dann über Kiesfilter oder durch Mehrfachfiltration abgeschieden werden.

Zur Entmanganung durch Sauerstoffeintrag muß der pH-Wert des Rohwassers durch Zusatz alkalischer Substanzen erst angehoben werden, da Mangan durch Luftsauerstoff erst bei pH- Werten über 9 oxidiert werden kann. In sauren Wässern ist eine Entmanganung durch Belüftung also nicht möglich. Ansonsten erfolgt die Entmanganung nach dem gleichen Prinzip wie die Enteisenung.

Durch Oxidation der zweiwertigen Mangan-Ionen mittels Luftsauerstoff oder mit chemischen Mitteln bildet sich das schwerlösliche Manganoxidhydrat. Es läßt sich zu Flocken vereinigen und abfiltrieren. Sowohl bei chloridreichen Wässern als auch bei Wässern mit hohem Gehalt an Ammonium bzw. organischer Substanz ist die Entmanganung gestört. Im letztgenannten Fall ist eine Entmanganung nur nach Fällung mit Aluminiumsulfat möglich. Die Anwesenheit von Eisen erleichtert dagegen die Entmanganung. Bei Rohwässern mit nur geringfügig erhöhtem Eisengehalt kann die Entfernung von Eisen und Mangan dann in einer Filterstufe erfolgen. Auch mit Hilfe von Mikroorganismen können die gelösten Eisen-(II)- und Mangan-(II)-Ionen oxidiert werden. Das eisenhaltige Grundwasser wird belüftet und durch sogenannte Infiltrationsbrunnen für den Untergrund wieder eingespeist.

In den Brunnen bildet sich eine mit unzähligen Eisenbakterien behaftete Bodenzone. Diese, sich durch die Sauerstoffzufuhr ständig vermehren Bakterien, halten das Eisen fest. Das Verfahren ist wirtschaftlich und umweltfreundlich, da kein Eisenschlamm anfällt. Enthärtung/Entcarbonisierung des Wassers Der Gehalt des Wassers an gelösten Calcium- und Magnesiumsalzen bestimmt seine Härte. Calcium und Magnesium sind in natürlichen Wässern überwiegend an Kohlensäure gebunden und bilden dabei die Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonate.

Dieser Anteil der Wasserhärte wird als Carbonat-härte bezeichnet. Daneben gibt es die Nichtcarbonathärte, die sich aus dem Teil der Calcium- und Magnesium-Ionen zusammensetzt, der an andere Säuren (z.B. Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure usw.) gebunden ist. Die entsprechenden Salze wer-den auch als Sulfate, Chloride und Nitrate bezeichnet. Damit sich im Rohrnetz eine Korrosionsschutzschicht aus Kalk ausbilden kann, ist eine gewisse Wasserhärte nötig. Weiche Wässer bilden keine Schutzschicht und verursachen wegen der stets vorhandenen freien Kohlensäure einen Materialangriff.

Andererseits wirkt sich eine hohe Wasserhärte für technische Zwecke sehr ungünstig aus. Beim Erhitzen des harten Wassers bildet sich aus den Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonaten der sogenannte Kalk- oder Kesselstein. Die Nichtcarbonathärte verbleibt nach dem Kochen in Lösung. Durch Kalksteinbildung können Warmwasser-leitungen allmählich verstopfen, in Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlagen erhöht sich der Energiebedarf zum Erhitzen des Wassers, da die Kalkablagerungen eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben.

Auch im Haushalt macht sich die Wasserhärte negativ bemerkbar. So werden beispielsweise Hülsenfrüchte beim Kochen in hartem Wasser nicht weich, das Aroma von Tee und Kaffee ist beeinträchtigt. Beim Waschen binden die Calcium- und Magnesiumsalze des Wassers einen Teil der Tenside. Diese stehen dann beim Waschvorgang nicht mehr zur Verfügung, so daß beim Wäschewaschen der Waschmittelverbrauch um so höher liegt, je härter das Wasser ist.

Selbst (seltene) sehr hohe Wasserhärtegrade (mehr als 30 °dH), bringen keine gesundheitlichen Nach-teile mit sich. Ganz im Gegenteil: In Gegenden mit sehr weichem Wasser leidet die Bevölkerung vermehrt unter schlechter Zahnbeschaffenheit und Herzgefäßerkrankungen. Aus diesem Grund wird die Enthärtung des Wassers im Rahmen der Trink-wasserversorgung abgelehnt. Bis auf wenige Ausnahmen enthärten Wasserwerke ihr Wasser nicht. Nur bei Brauchwasser für technische bzw. gewerbliche Zwecke erfolgt in der Regel eine Enthärtung. Bei Brauchwässern unterscheidet man zwischen der Entfernung der Calcium- und Magnesium- Ionen (Enthärtung) und der Entfernung der Hydrogencarbonationen (Entcarbonisierung).

Die Enthärtung erfolgt heute ausschließlich mittels Ionenaustauscher, wobei die Härtebildner Calcium (Ca2+) und Magnesium (Mg2+) gegen Natrium (Na+) bzw. Wasserstoffionen (H+) ausgetauscht werden. Für die Entcarbonisierung sind sowohl Ionenaustauscher- als auch Fällungsverfahren (z. B. die Kalkdosierung) üblich. Mit Hilfe der Fällung kann die Wasserhärte um 2-4 Härtegrade herabgesetzt werden.

Ionenaustauscher werden dagegen vorwiegend zur vollständigen Entfernung der Hydrogencarbonate bzw. der Calcium- und Magnesium-Ionen eingesetzt (Vollentcarbonisierung bzw. Vollenthärtung). Hygienisierung des Wassers Das Trinkwasser muß laut Trinkwasserverordnung frei von Krankheitserregern und gesundheitsschädlichen Stoffen sein. Es ist verboten, Trinkwasser abzugeben, das die menschliche Gesundheit schädigen kann. Die Aufbereitung im Wasserwerk muß demnach sowohl die Entfernung krankheitserregender (pathogener) Keime als auch sämtlicher organischer Stoffe umfassen, die entweder Geruch oder Geschmack des Trinkwassers negativ beeinflussen oder gesundheitsschädlich sind.

Entkeimung (Desinfektion) des Trinkwassers Oberflächengewässer, Grundwässer aus schlecht filtrierenden Böden, Quellwässer aus zerklüfteten Böden und Uferfiltrat sind einer Verunreinigung und Infektion immer ausgesetzt und werden daher vorsorglich entkeimt. Die Entkeimung umfaßt die Abtötung aller krankheitserregenden Mikroorganismen einschließlich der Viren. Existierende mechanische Verfahren zur Entkeimung sind oft unvollständig, so daß in der Regel nur eine ausreichende Desinfektion durch Chemikalieneinsatz erzielt werden kann. In der Bundesrepublik sind zur Desinfektion des Trinkwassers laut Trinkwasseraufbereitungsverordnung folgende Verfahren zugelassen:

Desinfektion mit Chlorgas

Das einfachste, billigste und deshalb auch meistgebrauchte Entkeimungsverfahren ist die Chlorung mit Chlorgas (Cl2). Hierzu wird üblicherweise zuerst eine Chlorlösung hergestellt, die dann ins Wasser eingeleitet wird (indirektes Chlorgasverfahren). Je nach pH-Wert, Temperatur und Beschaffenheit des Wassers sind zum Abtöten der Krankheitskeime große Chlormengen erforderlich. Neben seiner desinfizierenden Wirkung zeigt Chlor auch eine Oxidations-wirkung gegenüber anorganischen und organischen Wasserinhaltsstoffen. Ungefähr 10 % des eingesetzten Chlors reagieren mit den im Wasser enthaltenen organischen Substanzen.

Als Nebenprodukte entstehen hochgiftige organische Verbindungen. Am bekanntesten sind dabei die niedermolekularen Trihalogenmethane, insbesondere Chloro- und Bromoform, die sich im Tierversuch als krebserregend (cancerogen) erwiesen haben. Bromoform wirkt im Bakterientest zusätzlich erbgutverändernd (mutagen). Nach heutigem Kenntnisstand machen die Trihalogenmethane nur einen Bruchteil (1 %) der Nebenprodukte aus. Zusätzlich entstehen Chlorverbindungen wie Trichloressigsäure und bromorganische Verbindungen. Letztere bilden sich vor allem in Wässern mit hohem Salzgehalt, da damit auch immer ein relativ hoher Bromidgehalt einhergeht, der sich ebenso wie der Chloridgehalt bei der Trinkwasseraufbereitung kaum reduzieren läßt.

Nach Untersuchungen des Zweckverbandes Bodenseewasserversorgung kann die Chloroformbildung durch eine vorgeschaltete Ozonung herabgesetzt werden. Auch die vorherige UV-Bestrahlung oder Behandlung mit Wasserstoffperoxid (H2O2) soll die Chloroformbildung verringern.

Neuere Untersuchungsergebnisse stellen jedoch auch den gesundheitlichen Nutzen dieser Vorbehandlungsmaßnahmen in Frage. Bei der Untersuchung von NTA-haltigem Bodenseewasser zeigte sich, daß während der Ozonung des Rohwassers spezielle Oxidationsprodukte entstehen, die bei einer anschließenden Behandlung des Wassers mit Chlor zu der toxikologisch bedenklichen Verbindung Chlorpikrin weiterreagieren. Dieser Stoff, mit lungenschädigender Wirkung, wurde im 1. Weltkrieg als sogenannter Grünkreuzkampfstoff eingesetzt.

Selbst bei den im Bodenseewasser gängigen NTA-Konzentrationen von 10 g/1 konnten im aufbereiteten Trinkwasser deutliche Konzentrationserhöhungen der unerwünschten Substanz Chlorpikrin gemessen werden.

Je höher der Gehalt eines Wassers an anorganischen und organischen Inhaltsstoffen ist, desto mehr Chlor geht für deren Oxidation verloren (Chlorzehrung). Es müssen deshalb größere Chlormengen zugesetzt werden, um ein Abtöten pathogener Keime zu gewährleisten. Wird zur Trinkwasseraufbereitung stark verunreinigtes Wasser verwendet, ist es deshalb an-gebracht, den Gehalt an (an-)organischen Substanzen durch entsprechende Vorreinigungen zu reduzieren.

Bei der Chlorung von Flußwasser entstehen außerdem typische chlorierte Nebenprodukte, die sich besonders negativ auf die sensorischen Eigenschaften des Trinkwassers auswirken. So ruft beispielsweise das aus Phenol entstehende Chlorphenol noch in einer Verdünnung von 1:20 Millionen einen besonders unangenehmen Geschmack des Trinkwassers hervor.

Bei Wässern mit wechselndem Verschmutzungsgrad ist die Chlorung aus hygienischer Sicht sehr unsicher. Wenn der Reaktionsverlauf nicht ständig verfolgt wird, besteht durch die unterschiedlich starke Chlorzehrung immer die Gefahr, daß nicht genug Chlor zur Desinfektion übrigbleibt. Nicht zuletzt aus diesem Grunde schreibt die Trinkwasserverordnung vor, daß unabhängig von der ursprünglich eingesetzten Chlormenge nach beendeter Einwirkzeit ein Restchlorgehalt von mindestens 0,1 mg/1 Chlor im Wasser verbleiben muß. So soll eine ausreichende Desinfektion und eine Wiederverkeimung im Rohrleitungsnetz vermieden werden.

Desinfektion mit Chlordioxid Als Alternative zum Chlorgas kann auch Chlordioxid zur Desinfektion eingesetzt werden. Es muß unter erheblichen Sicherheitsmaßnahmen immer direkt an der Zugabestelle produziert werden. Der Einsatz von Chlordioxid als Desinfektionsmittel hat aber gegenüber der Anwendung von Chlor einige Vorteile.

Zum einen ist die Wirkung des Chlordioxids pH-unabhängig. Deshalb ist es dem Chlor besonders bei der Anwendung in alkalischen Wässern überlegen. Zum anderen sind Geschmack und der Geruch des abgegebenen Trinkwassers nicht so unangenehm wie bei der Chloranwendung, denn das Chlordioxid reagiert nicht mit den im Wasser enthaltenen Phenolen zu den gesundheitsschädlichen und übelriechenden Chlorphenolen und hat auch keinen so starken Eigengeruch und -geschmack wie Chlor. Schließlich geht das Chlordioxid nicht so leicht Oxidationsreaktionen mit den im Wasser enthaltenen organischen Substanzen ein. Daher ist die "Chlorzehrung" und damit die zur Desinfektion benötigte Chlormenge wesentlich geringer als bei der Chlordesinfektion.

Damit kann der durch die Trinkwasserverordnung geforderte Restchlorgehalt des Wassers niedriger sein. Bei der Verwendung von Chlordioxid ist die Bildung chlorierter organischer Nebenprodukte, im Vergleich zu Chlor, um den Faktor 5-20 niedriger, und die Trihalogenmethanbildung ist sogar so gering, daß sich deren Konzentration im Bereich der Nachweisgrenze bewegt. Aus diesem Grund hat das Chlordioxid in manchen Wasserwerken das Chlor als Desinfektionsmittel verdrängt, wie z. B. bei der GEW, dem linksrheinischen Wasserversorger in Köln.

Doch auch die Anwendung von Chlordioxid istkeineswegs unproblematisch. Die bei der Reaktion von Chlordioxid mit Huminsäuren entstehenden Organochlorverbindungen und verschiedene organische Reaktionsnebenprodukte zeigten im Bakterientest mutagene Wirkung. Zudem entstehen nicht unerhebliche Mengen anorganischer Schadstoffe, wie Chlorid, Chlorit und Chlorat. Erhöhte Chloritkonzentrationen können zu enzymatischen Veränderungen und bei Säuglingen zu Methämoglobinanämie führen.

Es ist noch unklar, ob bei gleicher Dosierung für Chlor und Chlordioxid die gesundheitlichen Gefahren für den Trinkwasserkonsumenten bei der Chloranwendung nicht doch geringer sind. Hier sind dringend weitere wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich, die nach anderen Lösungen suchen.

Desinfektion mit Ozon

Neben Chlorgas und Chlordioxid wird auch Ozon zur Wasserdesinfektion eingesetzt. Es wird durch sog. Platten- oder Röhrenozoneure erzeugt. Seitdem man hochkonzentrierte Ozonlösungen herstellen kann, ist die Ozonung sehr viel wirtschaftlicher geworden. Mittlerweile sind in der BRD ca. 1000 Anlagen in Betrieb.

Gegenüber der Desinfektion mit Chlor bietet die Anwendung von Ozon einige Vorteile:

Das vereinfacht die Anwendung und erweitert gegenüber Chlor die Einsatzmöglichkeiten.

Neben diesen Vorteilen birgt die Ozonisierung auch einige Nachteile, die die Anwendbarkeit einschränken. Hinsichtlich der gesundheitlichen Gefahren, die von einer Ozonbehandlung ausgehen, bestehen zwischen den Wissenschaftlern Meinungsverschiedenheiten.

Als starkes Oxidationsmittel greift Ozon auch schwer abbaubare Stoffe wie z. B. (polycyclische) Aromaten an. Nicht klar ist, ob dabei immer ein vollständiger Abbau zu Wasser und Stickstoff stattfindet. Möglicherweise wird nur ein Teilabbau zu biologisch leicht abbaubaren Substanzen erreicht, wodurch deren Gehalt nach der Behandlung ansteigen würde. Je höher der Gehalt an diesen Stoffen im Wasser ist, desto größer ist die Gefahr der Wiederverkeimung im Transportnetz. Die Gefahr der Wiederverkeimung besteht auch, weil das Ozon zerfällt und im Gegensatz zu Chlor im Leitungsnetz nicht nachwirkt, sondern, wie vor beschrieben, in Sauerstoff zerfällt. Zum Schutz muß der Ozonung also eine Sicherheitschlorung mit den dabei bestehenden Gefahren angeschlossen werden.

ähnlich wie bei der Desinfektion durch Chlor gibt es auch bei der Behandlung des Wassers mit Ozon eine Konkurrenz zwischen der Oxidation organischer Wasserinhaltsstoffe und der Desinfektion des Wassers. Bei der Oxidation dieser Inhaltstoffe entstehen typische toxische Nebenprodukte (Ozonide, Nitroverbindungen), die schwierig analytisch zu erfassen sind. Deshalb ist über ihre toxische Relevanz bisher nur wenig bekannt.

Wasser mit starker organischer Verunreinigung (vor allem Flußwasser) muß deshalb vor der Ozonbehandlung unbedingt vorgereinigt werden. Desinfektion durch UV-Bestrahlung Die UV-Bestrahlung ist als physikalisches Desinfektionsverfahren seit 1959 in der Lebensmittel- Bestrahlungsverordnung zugelassen. Erzeugt wird die Strahlung durch Quecksilber-Hoch oder - Niederdrucklampen. Die Desinfektionswirkung der UV-Bestrahlung hängt sehr stark von der Durchlässigkeit des Wasserkörpers ab. Das Wasser muß vor der Bestrahlung völlig von Trübstoffen befreit werden, da Keime, die sich in Schmutzteilchen befinden, durch dieses Verfahren nicht abgetötet werden. Um eine ausreichende Desinfektion zu erzielen, ist die lange Bestrahlung einer sehr dünnen, trübstofffreien Wasserschicht erforderlich.

UV-Bestrahlungsanlagen zur Desinfektion großer Wassermengen sind aus diesem Grunde sehr kostenintensiv und werden im Moment nur für Sonderaufgaben eingesetzt. Kleinere Anlagen können dagegen durchaus rentabel sein und werden schon relativ häufig zur Wasserdesinfektion auf Schiffen eingesetzt.

Da während der UV-Sterilisation Ozon gebildet wird, ist davon auszugehen, daß hier grundsätzlich dieselben toxischen Nebenprodukte entstehen wie bei der Ozonung. Wegen des geringeren Gehaltes an wirksamen Ozon dürfte jedoch nach der UV-Bestrahlung des Wassers die Konzentration an unerwünschten Reaktionsprodukten um einiges niedriger sein als nach der Ozonung.

Desinfektion durch Silberung

Zur Desinfektion mit Silber wird das Wasser in einer dünnen Schicht an Silberplatten vorbeigeleitet. Die Kontaktzeit mit dem Silber muß mehrere Stunden betragen, um die Mikroorganismen abzutöten. Damit die Silberung zuverlässig arbeitet, muß das Wasser außerdem klar und frei von Trübstoffen sein. Wegen des hohen Platzbedarfs, der langen Reaktionszeit und der erforderlichen Vorbehandlung des Wassers eignet sich dieses Verfahren weniger zur Erstdesinfektion. In der Regel wird es nur eingesetzt, um die Wiederverkeimung eines bereits desinfizierten Wassers zu vermeiden. Gesilberte Filter kommen häufig in Geräten zur Trinkwasseraufbereitung im Haushalt zur Anwendung.

Fazit:

Bei allen chemischen Desinfektionsverfahren besteht immer die Gefahr, daß sich gleichzeitig toxische Nebenprodukte bilden, die der beabsichtigten vorbeugenden Wirkung der Desinfektion entgegenstehen. Deswegen sollte grundsätzlich immer überlegt werden, ob eine Desinfektion erforderlich ist.

Bei einwandfreier Rohwasserqualität sollte die Desinfektion auf ein Minimum beschränkt werden oder sogar ganz unterbleiben. Bei Verzicht auf Desinfektion des Trinkwassers muß allerdings eine ausreichende bakteriologisch-hygienische Überwachung der Trinkwasserqualität gewährleistet sein.

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