Schema der Donauwasser-Aufbereitung in Langenau

Das Donauwasser wird bei Leipheim entnommen und durch einen Grob- und Feinrechen geleitet, bevor es zum Wasserwerk Langenau gepumpt wird. Hier findet die Aufbereitung zu Trinkwasser statt; eine schematische Übersicht des Prozesses zeigt Abb. 7.2.

Abb. 7.2: Verfahrensschema der Donauwasser-Aufbereitung des Zweckverbandes Landeswasserver-sorgung Baden-Württemberg (Abbildung gemäß R^AUSCH (2004)).

Die wesentlichen Punkte der Aufbereitung bestehen in einer Vorreinigung durch Flockung, hieran schließt sich die eigentliche Flockungsanlage (Sedifloc) an. Beide erfüllen im Prinzip die gleiche Funktion und können daher nicht nur in Reihe, sondern zur Steigerung der Kapazität bei Bedarf auch parallel betrieben werden. Eine weitere Reinigung erfolgt durch Ozonung; hier werden nicht nur Farb-, Geschmacks- und Geruchstoffe sowie organische Schadstoffe entfernt und das Wasser desinfiziert, sondern das Verfahren bewirkt im Endeffekt auch eine bessere Partikelabscheidung von rund einer log-Stufe während der darauffolgenden Filtration. Der Grund hierfür

liegt in der ozon-induzierten Partikel-Destabilisierung (OIPD); höhermolekulare (doppelbindungsreiche) organische Verbindungen (NOM¹) werden durch Ozon in niedermolekularere mit einem erhöhten Anteil sauerer funktioneller Gruppen zerlegt.

Diese wiederum bilden mit Hilfe im Wasser vorhandener Calciumionen und weiteren Huminstoffen unlösliche Humate und fallen aus. Darüber hinaus wird durch die Neigung von Erdalkali-Ionen zur verstärkten Assoziation mit organischen Säure-gruppen die Verknüpfung (Brückenbildung) zwischen huminstoffbeladenen Partikeln unterstützt; dies führt ebenfalls zu einer Bildung von größeren Aggregaten bzw. zu deren Ausfallen. Voraussetzung für die Anwendbarkeit der OIPD sind eine ausreichende Wasserhärte sowie nicht zu hohe Ozondosen; die genauen Wirk-mechanismen sowie weitere Erklärungsansätze sind noch Gegenstand der Dis-kussion (Winzenbacher, 2000).

Im Anschluß an die Ozonung wird das Wasser nach erneuter Eisen(III)-Dosierung über einen Tiefenfilter filtriert und passiert schließlich noch einen Aktivkohlefilter;

letzterer ist hauptsächlich für Notfälle gedacht, z.B. Ölunfälle im Wassereinzugs-gebiet. Nach Zusatz von ClO2 zur Unterbindung von Wiederaufkeimung gelangt das Filtrat in einen Sammel- bzw. Reinwasserbehälter, von wo aus die Verteilung zum Verbraucher erfolgt. In Spitzenzeiten vermag die Anlage bis zu 2000 Liter pro Sekunde zu liefern (Rausch, 2004).

7.1.3 Ergebnisse

7.1.3.1 Vergleich der Filterwirksamkeit von Pilot- und Großanlage

Zur Abschätzung der Übertragbarkeit der an der Pilotfiltrationsanlage gewonnenen Erkenntnisse auf die Großanlage wurden beide Anlagen hinsichtlich ihres Partikelrückhaltevermögens miteinander verglichen. Die Partikelzahlen für Teilchen > 1 µm wurden dabei von der Landeswasserversorgung mittels Laserlicht-Abschattung (Abakus mobil fluid, Markus Klotz GmbH) erfaßt, die Kolloidwerte durch NPA/LIBD. Beide Anlagen wurden mit gleichem Rohwasser und gleichen Betriebsparametern gefahren. Die Wasserproben wurden jeweils vor² und nach der Filtration entnommen, die Flockungsmitteldosis lag bei ßFe = 1 mg/L. Abb. 7.3 zeigt diskrete Partikelspektren für Zu- und Ablauf sowie Trendlinien. Da die NPA/LIBD-Messungen erst sehr spät während der laufenden Versuchskampagne begonnen wurden, sind leider nur wenige Meßwerte verfügbar. Die Tendenzen, die sich anhand der Partikelmessung (> 1µm) abzeichnen, werden jedoch durch die NPA/LIBD-Werte unterstrichen.

1 NOM = natural organic matter (natürliche organische Wasserinhaltsstoffe)

2 Noch vor der Dosierung von Fe(III)

0.01 0.1 1 10 10^-2

10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

Rohwasser-Zulauf Großfilter Rohwasser-Zulauf Pilotfilter Filtrat Großfilter

Filtrat Pilotfilter

P ar ti ke la n za h l / (P ar ti ke l/m L )

Partikelgröße /µm

Abb. 7.3: Diskretes Partikelspektrum für Pilot- und Großfilter, jeweils vor und nach der Filtration. Es zeigte sich in allen Größenbereichen eine ausreichende Übereinstimmung, die Erkenntnisse der Pilotanlage lassen sich somit auf die Großanlage übertragen (Abb. modifiziert nach RAUSCH (2004)).

Die in Abb. 7.3 gezeigte Verschiebung des Rohwasser-Partikelspektrums hin zu kleineren Partikeln ist laut RAUSCH (Rausch, 2004) vermutlich auf technische Anlageneinflüsse bei der Wasserzufuhr zum Filter zurückzuführen. Insgesamt unterschieden sich die Filtrationsleistungen von Pilot- und Großfilter jedoch im gesamten Partikelspektrum, einschließlich des mittels NPA/LIBD erfaßten Kolloidbereichs, ausreichend gering, so daß eine Übertragbarkeit der an der Pilotanlage gewonnenen Erkenntnisse auf die Großanlage gewährleistet ist.

7.1.3.2 Einfluß der Flockungsmitteldosis auf die Filtrationsleistung

Ziel der Untersuchungen war es, unter den gegebenen Rahmenbedingungen der Aufbereitung die minimal erforderliche Dosierung an Flockungsmittel zu ermitteln, so daß die Qualität des Filtrats nicht merklich abnimmt. Hierzu wurde die Dosierung an Fe(III) im Filterüberstau kontinuierlich reduziert und die Auswirkung auf das Partikelspektrum einschließlich des kolloidalen Bereichs untersucht. Alle in diesem und den folgenden Abschnitten gezeigten Daten beziehen sich ausschließlich auf die Pilotfilteranlage.

Die experimentellen Rahmenbedingungen waren wie folgt (Rausch, 2004):

Filtergeschwindigkeit konstant bei 12 m/h, Filterlaufzeit zum Zeitpunkt der jeweiligen Messung zwischen 5 und 30 Stunden. Auf diese Weise werden Einflüsse auf die Filtratqualität aufgrund unterschiedlicher Filterbeladung zum Zeitpunkt der Probenahme ausgeschlossen. Zwischen den Messungen, d.h. alle 12 - 96 h, fand eine Filterspülung statt.

0.1 1 10

10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

Rohwasser-Zulauf

Filtrat ohne Fe(III)-Dosierung Fe(III)-Dosierung 0.5 mg/L Fe(III)-Dosierung 1.0 mg/L

P ar ti ke la n za h l / (P ar ti ke l/m L )

Partikeldurchmesser /µm

Abb. 7.4: Einfluß der Flockungsmitteldosis auf die Filtrationsleistung. Mit abnehmender Fe(III)-Dosierung vor der Filtration zeigte sich im untersuchten Konzentrationsbereich bei Partikeln > 1 µm keine nennenswerte Abnahme des Partikelrückhalts. Erst bei den mittels NPA/LIBD erfaßten Kolloiden wurde ein Unterschied erkennbar (Abb. modifiziert nach RAUSCH (2004)).

Das Ergebnis der Versuche zeigt Abb. 7.4. Wie erwartet verschiebt sich das Gesamt-Partikelspektrum mit zunehmender Dosierung an Fe(III) zu kleineren Durchmessern und Konzentrationen. Betrachtet man lediglich die Partikel mit Durchmessern über 1 µm, dann stellt man im Rahmen der Meßgenauigkeit keinen signifikanten Unterschied bei einer Reduzierung der Eisendosierung von ßFe = 1 mg/L um die Hälfte auf ßFe = 0,5 mg/L fest. Erst im kolloidalen Bereich zeigen sich deutliche Unterschiede: Die Kolloidabtrennung funktioniert bei höherer Flockungsmitteldosierung tendenziell besser als bei geringerer. Weiterhin scheint die Anzahl der Kolloide mit abnehmendem mittleren Durchmesser anzusteigen. Im Rahmen der Meßgenauigkeit kann es sich hierbei um statistische Schwankungen

bzw. Einflüsse zwangsläufig leicht variierender Anlagenparameter handeln; ein wirklicher Trend ist daraus also nicht abzuleiten¹. Nachdem die Partikelspektren für ßFe = 1 mg/L und ßFe = 0,5 mg/L bei Partikeln > 1 µm nahezu identisch sind, kann der beobachtete Effekt auch nicht durch die vorhandene, geringfügig verschiedene Sensitivität der LIBD-Methode für Partikel unterschiedlicher Größe hervorgerufen werden (vgl. 7.2.4).

Laut RAUSCH (2004) haben weitere Untersuchungen unter Charakterisierung von Partikeln > 1 µm, Trübung und mikrobiologischer Belastung gezeigt, daß bei der Aufbereitung von Donauwasser in Langenau die minimal mögliche Fe(III)-Konzen-tration bei ßFe = 0,6 mg/L liegt; bislang werden noch ßFe = 0,8 - 1,0 mg/L dosiert. Ein weiterer Vorteil einer geringeren Eisendosierung bestünde in längeren Filterstandzeiten.

7.1.3.3 Einfluß der Filtergeschwindigkeit auf die Filtrationsleistung

Bei Tiefenfiltern, wie den in Langenau eingesetzten Typen mit Zweischicht-Schüt-tungen aus Hydroanthrazit und Quarzsand, ist eine langsame Filtergeschwindigkeit gemäß Literatur (DVGW-Schriftenreihe, 1996) günstiger, da dann im Filterbett für die Abscheidung günstige Strömungsverhältnisse herrschen. Bei der Pilotfilteranlage sind laut RAUSCH (2004) diese Strömungsverhältnisse bei einer exemplarischen Filtergeschwindigkeit von 6 m/h noch gegeben, bei 16 m/h dagegen nicht mehr. Da die Pilotanlage zwei gleiche Filter umfaßte, konnten beide Filter parallel und mit gleichem Rohwasser, jedoch verschiedenen Filtergeschwindigkeiten betrieben werden. Filterspülungen erfolgten alle 24 h, die Flockungsmitteldosis lag konstant bei ßFe = 0,4 mg/L. Um Störeinflüsse der Vorfiltratsphase auszuschließen, erfolgte die Probenahme jeweils frühestens nach 6 h Filterlaufzeit. Die Versuche wurden je 1 - 2 Mal wiederholt. Rohwasser und Filtrat wurden hinsichtlich ihres Partikelgehaltes einschließlich der kolloidalen Fraktion untersucht; die Ergebnisse sind graphisch in Abb. 7.5 dargestellt.

Entgegen der Erwartungen aufgrund der Literatur (DVGW-Schriftenreihe, 1996) war die Filtrationsleistung bei höheren Filtergeschwindigkeiten tendenziell besser. Wie anhand des Partikelspektrums zu erkennen ist, war der Rückhalt um so effizienter, je geringer der Teilchendurchmesser. Dies war vor allem bei Teilchen mit Durchmessern von < 3 µm gut zu erkennen. Die NPA/LIBD-Werte untermauern

1 Es bestünde die theoretische Möglichkeit, daß sich mit zunehmender Dosierung an Flockungsmittel auch Eisenkolloide bilden, die um so zahlreicher ins Filtrat gelangen, je höher die Dosis an Fe(III) ist.

Hinweise hierzu finden sich bei WINZENBACHER (2000). Leider wurden bei den obigen Versuchen keine Eisenkonzentrationen im Filtrat bestimmt. Für die hier geäußerte These spräche, daß die Kurven nicht die übliche "Filterlücke" bei Partikeln von rund 1 µm Größe zeigen; die Kolloidanzahlen würden in diesem Falle jeweils um mehrere Größenordnungen niedriger liegen (Gimbel, 1984;

Tobiason und O’Melia, 1988; Elimelech et al., 1995; vgl. auch Abb. 7.14 in 7.2.4.2).

diesen Trend sehr deutlich; da im vorliegenden Falle leider nur jeweils eine Analysenprobe für NPA/LIBD zur Verfügung stand, sind weitere Untersuchungen nach gleichem Schema erforderlich, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.

0.1 1 10

10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷

Rohwasser-Zulauf

Filtergeschwindigkeit 6 m/h Filtergeschwindigkeit 16 m/h

P ar ti ke la n za h l / (P ar ti ke l/m L )

Partikeldurchmesser /µm

Abb. 7.5: Diskrete Partikelspektren in Abhängigkeit der Filtergeschwindigkeit. Anders als erwartet nahm die Filtrationsleistung bei Erhöhung der Filtergeschwindigkeit zu (Abb. modifiziert nach RAUSCH (2004)).

Als Erklärung für die scheinbar bessere Filtrationsleistung bei höheren Filtergeschwindigkeiten führt RAUSCH (2004) zum einen mögliche statistische Schwankungen der Meßwerte an, zum anderen könnte es bei der höheren Filtergeschwindigkeit zu einer besseren Einmischung des Flockungsmittels gekommen sein. Vor einer Übertragung der Erkenntnisse auf die Großanlage sind weitere Untersuchungen in diesem Bereich erforderlich.

7.2 Trinkwasseraufbereitung des Zweckverbandes