Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16

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Trinkwasser-Aufbereitung

Vortrag von Matthias Ritter, Regina Bruischütz und Bea Vonderlind im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", SS 1996, SS 1997 und WS 07/08

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Gliederung:

1 Einleitung
     1.1 Möglichkeit 1
     1.2 Möglichkeit 2

2 Trinkwasserverbrauch

3 Rohwasser
     3.1 Grundwasser
     3.2 Quellwasser
     3.3 Oberflächenwasser

4 Güteanforderungen

5 Aufbereitung
     5.1 Vorreinigung: Entfernung ungelöster und kolloidaler Verunreinigungen
     5.2 Filtration
     5.3 Belüftung
     5.4 Ozonbehandlung
     5.5 Entfernung von Nitrat (Denitrifikation)
     5.6 Desinfektion
     5.7 Technische Anforderungen: Entsäuerung und Schutzschichtbildung
     5.8 Zentrale Enthärtung

6 Trinkwasseraufbereitung am Beispiel Stadt Bayreuth

7 Zusammenfassung

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1 Einleitung

1.1 Möglichkeit 1

 Als Einleitung für diesen Vortrag dienen Zwillinge und die darauf folgende Frage: "Was haben diese Zwillinge mit dem Thema Trinkwasser gemeinsam?".

[Diese Abbildung wurde wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]
Abb. 1: Gemeinsamkeit von Trinkwasser und Zwillingen - Auflösung in Kapitel 6

1.2 Möglichkeit 2

Im Oktober 2007 hatte man beim Zähneputzen den Eindruck, dass das Zahnputzwasser nicht etwa aus der bayreuther Wasserleitung, sondern direkt aus einem Schwimmbecken im Kreuzsteinbad stammen könnte. Was war geschehen?

Im Folgenden wird die Gewinnung und Aufbereitung unseres wichtigsten und best bewachten Lebensmittels, dem Trinkwasser, beschrieben und abschließend die Frage nach der Trinkwasserqualität in Bayreuth im Oktober 2007 geklärt.

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2 Trinkwasserverbrauch

Trinkwasser ist unser wichtigstes Lebensmittel und es kann durch nichts ersetzt werden. Deshalb ist es besonders wichtig, dass wir auf seine Reinhaltung achten. Täglich verbraucht jeder Bürger in Deutschland pro Tag ca. 140l Trinkwasser.

[Diese Abbildung wurde wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]
Abb. 2: Trinkwasserverbrauch im Haushalt pro Kopf und Tag (Druckqualität als Link)

Nicht nur der Einzelne benötigt Trinkwasser zur Deckung seiner Bedürfnisse, sondern auch in der Industrie wird es zur Herstellung verschiedener Produkte benötigt.

1 Tonne Papier

500000 Liter

1 Hektoliter Bier

50000 Liter

1 Tonne Stahl

18000 Liter

1 Tonne Zucker

1500 Liter

Tab. 1: Wasserbedarf bei der Herstellung verschiedener Produkte

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3 Rohwasser

Es existieren mehrere Möglichkeiten, um Trinkwasser zu gewinnen. Dabei wird das Wasser dem Wasserkreislauf entnommen und ihm nach der Aufbereitung und Verwendung immer wieder zugeführt. Noch unaufbereitetes Wasser wird als Rohwasser bezeichnet. Dieses wird zu mehr als zwei Drittel aus Grund- und Quellwasser gewonnen. Eine weitere, heute häufiger angewandte Methode, ist es, Oberflächenwasser aus einem Gewässer zu entnehmen, es aufzuarbeiten und es dann anschließend künstlich versickern zu lassen. Dabei durchläuft es verschiedene Bodenschichten und gelangt ins Grundwasser (angereichertes Grundwasser). Bei der Uferfiltration fließt das Wasser vom Bett des Gewässers durch die angrenzenden Bodenschichten zu den in der Nähe des Ufers gelegenen Förderbrunnen.

Das Rohwasser kann auf verschiedenartigste Weise vom Menschen gefährdet und beeinträchtigt werden:

bulletUnsachgemäßer Umgang mit grundwassergefährdenden Stoffen z.B. Chlorkohlenwasserstoffe, Benzin, Dieselöl, Heizöl, Schmieröl, Altöl.
bulletFalsche bzw. unsachgemäße Abfallbeseitigung, Alt(müll)ablagerungen z.B. Deponien, Altlasten.
bulletUnsachgemäßer Einsatz von Mineraldüngern bzw. Wirtschaftsdüngern, Schädlingsbekämpfungs-, Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft, Wein- und Gartenbau.
bulletWärmeentzug durch Wärmepumpen, die das Grundwasser als Wärmequelle verwenden.
bulletWärmeeinleitung in den Untergrund z.B. durch Kühlwasser. Dabei kommt es zu einer thermischen Belastung. Außerdem besteht die Gefahr der Kontamination des Grundwassers mit krankheitserregenden Erregern.
bulletErdaufschlüsse z.B. Kiesgruben und Braunkohle Tagebau, und anschließendes Verfüllen der Gruben mit Abfällen.
bulletStraßenstreusalz (Auftausalze) und Straßenabschwemmungen z.B. Mineralölprodukte, Bremsscheibenabrieb.
bulletUndichte Kanalisation bzw. Schädigung derselben durch häusliche Abwässer und Indirekteinleiter.
bulletLuftverunreinigungsniederschläge.

3.1 Grundwasser

Das Grundwasser besteht aus gefallenem Niederschlag, der durch den Boden in tiefere Erdschichten gesickert ist. Trifft dieses Niederschlagswasser auf seinem Weg in die Erde auf wasserundurchlässige Gesteinsschichten wird es dort gestaut und kann über Brunnen zu Tage gefördert werden.

Um das Areal der Brunnen existieren verschiedene Schutzzonen, die in Rechtsverordnungen der einzelnen Bundesländer festgelegt sind. Grundlage der gesetzlichen Bestimmungen sind die Vorschläge der "Deutsche(n) Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V." [3].

Die chemische Beschaffenheit des Grundwassers ist abhängig von der Geologie und der Tiefe des durchströmten Untergrunds. Gründe dafür sind zum einen, dass sich mineralische Bodenbestandteile im Wasser lösen, zum anderen kann es an Bodenmineralien zu Austauschvorgängen mit dem Wasser kommen. Deshalb ist Grundwasser aus magmatischen oder metamorphen Gestein z.B., Granit, Glimmerschiefer, relativ elektrolytarm. In Grundwässern aus besonders großer Tiefe findet man trotz unterschiedlicher geologischer Formationen und verschiedenen Gebieten der Erde sehr ähnliche chemische Zusammensetzungen in Bezug auf die Hauptbestandteile Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, u.a.

Allgemein lässt sich sagen, dass oberflächennahe Grundwässer sauerstoffreicher sind. Die Grundwasser in den tieferen Schichten bzw. in Schichten in denen der Sauerstoff durch chemische und mikrobiologische Reaktionen entfernt wurde, befinden sich im reduzierten Zustand. Diese sogenannten reduzierten Grundwasser enthalten häufig NH3/NH4+, NO2-, H2S, Fe2+, Mn2+. Die Gründe dafür sind:

bulletMikrobielle Nitratreduktion bzw. Nitratammonifikation durch Bakterien.
bulletMikrobielle Sulfatreduktion.
bulletBakterielle Reduktion von Fe(III) zu Fe(II) bzw. Mn(IV) zu Mn(II) in anaerober Umgebung.

3.2 Quellwasser

Als Quellwasser wird Wasser bezeichnet, welches in Quellanlagen wieder aus der Erde austritt. Es kann sowohl von Grundwasser gespeist aus großer Tiefe an die Erdoberfläche gelangen, oder aber in direkter Folge von Niederschlag am Fuße von Bergen oder Hängen in Quelltöpfen austreten.

3.3 Oberflächenwasser

Der dritte Bereich aus dem Rohwasser bezogen wird, ist das Oberflächenwasser. Dieses wird aus stehenden oder fließenden Gewässern, z.B Flüssen, Seen und zum Teil auch aus dem Meer entnommen und in diversen Aufbereitungsstufen zu Trinkwasser aufbereitet.

Die chemische Beschaffenheit des Oberflächenwassers ist Schwankungen unterworfen, da es sich um ein Gemisch aus Grund-, Quell-, Regen- und Abwasser handelt. Im Normalfall ist Oberflächenwasser stärker verunreinigt als Grundwasser. Fließgewässer wie kleine Bäche und unberührte Flüsse sind in der Regel sauerstoffreich und frei von Eisen- und Manganionen. Bei größeren Flüssen treten jedoch häufig stärkere Schwankungen der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur auf. Grund dafür sind Einleiter wie Industrie, Klärwerke und indirekte Einbringung von Ca2+, Cl-, SO42-, PO43-, NO3-, NH4+, hauptsächlich durch Ausspülung aus landwirtschaftlichen Nutzflächen durch das Regenwasser. Wasser aus Stau- und natürlichen Seen, sowie aus Talsperren sind meist elektrolytenarm. Bereits geringe Mengen an Phosphat und Nitrat stören das biologische Gleichgewicht des Sees und führen bei längerem Anhalten zu einer Eutrophierung (@ Überdüngung) des Gewässers. Abschließend bleibt anzumerken, dass stehende Gewässer empfindlicher auf Fremdeinträge reagieren als Fließgewässer.

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4 Güteanforderungen

Damit das Rohwasser als Trinkwasser verwendet werden kann muss es bestimmte Bedingungen erfüllen. Diese Regeln und Grenzwerte werden in der europäischen Trinkwasserrichtlinie beschrieben. Die darauf beruhende deutsche Verordnung ist am 1.1.2003 in Kraft getreten. Hierbei sind einigen Bestimmungen sogar noch schärfer gefasst als in der europäische Verordnung. In den Richtlinien sind die Anforderungen verschiedenster Parameter wie Geruch, Geschmack, Farbe oder die Belastung mit Schwermetallen, toxischen Stoffen, Algen, Bakterien, etc. festgelegt. Die nachfolgende Tabelle gibt einige ausgewählte Beispiele für Belastungsgrenzwerte unterschiedlicher Parameter:

Parameter

Einheit Richtzahl

Grenzwert / Anforderung

Temperatur °C 12 25

Arsen

mg/L -

0,01

Nitrat

mg/L 25

50

Eisen

mg/L 0,05

0,2

Mangan

mg/L 0,02

0,05

Tab. 2: Grenzwerte der Trinkwasserverordnung [2]

Sobald das Rohwasser den vielfältigen Anforderungen in nur einem Parameter nicht entspricht muss es in einer Trinkwasseraufbereitungsanlage aufbereitet werden.

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5 Aufbereitung

Die Aufbereitung von Rohwasser zu Trinkwasser geschieht in Wasserwerken . Nicht jedes Wasser ist gleich stark verunreinigt und muss jeden Schritt der Aufbereitung durchlaufen.

[Diese Abbildung wurde wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]
Abb. 3: Schematischer Aufbau eines Wasserwerkes (Druckqualität als Link)

Die Aufbereitung unterteilt sich, je nach Güte und Herkunft des Rohwassers, in verschiedene Schritte. Am Anfang stehen chemische und biologische Untersuchungen, die die Art, Zahl und Reihenfolge der Aufarbeitungsschritte festlegen. Die Schritte können also von dem unten folgenden Ablauf abweichen oder in ihrer Reihenfolge und Häufigkeit variieren.

5.1 Vorreinigung: Entfernung ungelöster und kolloider Verunreinigungen

Mit Hilfe von verschiedene Rechen und Sieben werden ungelöste Grob- und Feinverunreinigungen (Laub, Äste, Plankton) entfernt. Im folgenden Arbeitsgang wird im Vorklär- oder Absetzbecken  die Fließgeschwindigkeit des Wassers verringert, so dass sich Grobschlamm, Schwebstoffe u.ä. absetzen können. Zwei Vorgänge sind hierbei von Bedeutung: Sedimentation und Flockung. Bei der Sedimentation sinkt Grobschlamm auf Grund der Schwerkraft auf den Boden und kann entfernt werden. Schwebeteilchen, die nicht von selbst sedimentieren werden durch Flockung von Metall-Hydroxid-Molekülen adsorbiert und können anschließend entfernt werden:

Al3+  +  3 HCO3-    [Al(OH)3]s + 3 CO2

Hochgeladene Kationen, wie das Aluminiumkation, reagieren mit den im Wasser vorhandenen Hydrogencarbonat-Ionen. An die entstehenden Metallhydroxid-Moleküle  adsorbieren die Schwebeteilchen  und es entsteht ein flockiger Feststoff, der nun im nächsten Aufbereitungsschritt abfiltriert werden kann.

5.2 Filtration

In diesem Schritt entfernen verschiedene Filter Lehm, Ton oder Algen. Im Langsam(Sand)filter wird die natürliche Bodenfiltration, die das Wasser normalerweise durchlaufen würde nachgeahmt. Als Filtermaterial dient gewaschener Sand und Kies. Das Wasser legt dabei im Filter in einer Stunde eine Strecke von 5-20cm zurück. Durch die Besiedelung des Filters mit adaptierten Bakterienpopulationen kommt es zur Entfernung von unerwünschtem Eisen, Mangan und organischen Stoffen, sowie zur Oxidation von Ammonium zu Nitrat. Im Schnellfilter ist die Filtergeschwindigkeit ca. 40-50 mal höher als im Langsam(Sand)filter. Je nach Aufbereitungsziel wird als Filtermaterial Aktivkohle, Quarzsand oder Anthrazit verwendet. Inzwischen kommen auch häufig Mehrschichtfilter (Zweischicht- bzw. Dreischichtfilter) zum Einsatz. Dies hat den Vorteil, dass sowohl große Konzentrationen suspendierter Partikel wie Lehm oder Ton, als auch feindisperse Partikel wie Algen und Bakterien, entfernt werden können. Daneben werden auch Trockenfilter eingesetzt. Sie stellen eine Kombination zwischen Filtration und Belüftung dar (siehe 5.3.). Dies ermöglicht bzw. erleichtert sowohl die Entfernung hoher Gehalte an NH3 und H2S, als auch die Entfernung von Eisen und Mangan.

5.3 Belüftung

Gase mit hohem Dampfdruck, wie CO2 und H2S, werden durch Verregnung oder Verdüsung des Rohwassers in offenen Belüftungsanlagen entfernt. Zudem wird das Wasser mit Luftsauerstoff angereichert. Dies geschieht in geschlossenen Belüftungsanlagen, in denen die Luft durch einen Kompressor oder Injektor dem Rohwasser zugeführt wird. Der Sauerstoff bewirkt dabei eine Oxidation verschiedener Geruchs- und Geschmacksstoffe zu weniger wahrnehmbaren Abbauprodukten.

5.4 Ozonbehandlung

Ozon oxidiert ebenfalls organische Stoffe, dies führt zu einer Verbesserung von Geruch, Geschmack und Farbe. Auch Eisen- und Manganionen werden oxidiert und können anschließend herausgefiltert werden.

5.5 Entfernung von Nitrat (Denitrifikation)

Der Grund für die zunehmende Nitratbelastung, vor allem der Grundwasser, liegt hauptsächlich in der Überdüngung der landwirtschaftlichen Nutzflächen. Der EG – Grenzwert für Nitrat liegt bei 50mg/l. Zur Entfernung von Nitrat aus dem Trinkwasser gibt es verschiedene Methoden:

bulletIonentausch; NITRIPLEX – Verfahren mit Hydrogencarbonat u.a.
bulletUmkehrosmose: Wasser wird unter Druck über eine semipermeable Membran geleitet, wobei der aufgewandte Druck höher sein muss als der natürliche osmotische Druck. Dadurch treten Wassermoleküle von der höher konzentrierten in die niedriger konzentrierte Lösung über.
bulletElektrodialyse: Nachteil dieses Verfahren ist, dass keine selektive Abscheidung von Nitrat möglich ist. Es kommt weitgehend zur Entfernung aller im Wasser enthaltenen Ionen und evtl. zu sehr salzhaltigen Abwässern.
bulletBiologische Denitrifikation: Sie beruht auf dem Prinzip der mikrobiellen Nitratreduktion.

5.6 Desinfizierung

Die Entkeimung des Wassers ist der letzte Schritt, bevor das Wasser die Aufbereitungsanlage verlässt. Zum Beispiel mit Chlor oder Ozon werden die Bakterien abgetötet und Viren inaktiviert. Bsp.:

Cl2 + OH-   HOCl + Cl-

Chlor reagiert mit Hydroxidionen zu unterchloriger Säure, diese tötet Keime und Krankheitserreger (z. B. E-Coli-Bakterien) ab.

5.7 Technische Anforderungen: Entsäuerung und Schutzschichtbildung

Damit das Wasser nicht aggressiv gegenüber Rohren, Leitungen oder kalkhaltigen Werkstoffen wirkt, muss es ebenfalls aufbereitet werden.

Die Entsäuerung dient zur Einstellung des Gleichgewicht pH -Wertes und des Kalk - Kohlensäure -   Gleichgewichts  und damit zur Verminderung der Aggressivität des Wassers, gegenüber kalkhaltigen Werkstoffen wie z.B. Zementmörtelauskleidungen. Man unterscheidet zwischen der mechanischen und der chemischen Entsäuerung. Bei der mechanischen Entsäuerung beeinflusst die Sauerstoffaufnahme bei der offenen Belüftung das Kalk - Kohlensäure - Gleichgewicht. Der Ablauf der chemischen Entsäuerung geschieht entweder über Filtermaterialien, die alkalische Substanzen abgeben z.B. gekörntes Calciumcarbonat (CaCO3), oder es werden alkalische Substanzen z.B. Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, halbgebrannter Dolomit u.a. zugegeben.

Um Korrosion und Kesselsteinbildung zu verhindern, werden dem Wasser in diesem Arbeitsschritt Phosphate, Polyphosphate, sowie Kieselsäure (H2SiO3) und deren Salze oder Mischungen der Stoffe zugesetzt. Jedoch dürfen nach der Aufbereitung maximal 6,7mg/l Phosphat, als PO43- bzw. 40mg/l Silicat, als SiO2 enthalten sein. Um Korrosion bei metallischen Werkstoffen zu verhindern werden dem Wasser z.B. Phosphate oder Kieselsäure zugesetzt. Dabei müssen jedoch die zulässigen Grenzwerte (Trinkwasserverordnung) der zugefügten Stoffe beachtet werden.

5.8 Zentrale Enthärtung

Nach DIN 2000 ist es nicht die Aufgabe der zentralen Trinkwasserversorgung das Wasser für spezielle Verwendungszwecke besonders aufzubereiten. Manche Abnehmer betreiben deshalb eine eigene Nachbereitungsanlage zur Wasserenthärtung. Diese Aufgabe erfüllt ein Ionentauscher; nach der Enthärtung muss das Wasser eine Mindestkonzentration an Ca2+ von 60mg/l haben und darf eine Maximalkonzentration von 175mg/l Na+ nicht überschreiten.

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6 Trinkwasseraufbereitung am Beispiel Stadt Bayreuth

Fast der gesamte oberfränkische Raum ist verhältnismäßig wasserarm. Deshalb ist auch die Wasserversorgung von Bayreuth relativ kompliziert.

[Diese Abbildung wurde wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]
Abb. 4: Herkunft des bayreuther Wassers 1995

Die geologischen Vorbedingungen in der Stadt und ihrer Umgebung bieten nicht die Möglichkeit einer Wassergewinnungsanlage, die die Versorgung des gesamten Bereichs decken könnte. Aus diesen Sachzwängen heraus sind im Laufe der Jahre eine Reihe von Wassergewinnungsanlagen erbaut worden. Darüber hinaus bezieht die Stadt Bayreuth jährlich 2 Millionen m3 Wasser von der Fernwasserversorgung Oberfranken. Die in allen Rohwässern befindliche freie aggressive Kohlensäure macht eine Aufbereitung in Entsäurungsanlagen notwendig. Dies geschieht zum Teil mechanisch durch Verrieselung und zum Teil chemisch durch Filtration über halbgebrannten Dolomit. Alle Wässer sind weich bis sehr weich und frei von Nitrat, Schwefelwasserstoff, Ammonium - Salzen, Eisen, Mangan und Phosphaten.

Auflösung des Rätsels aus der Einleitung / Möglichkeit 1:

[Diese Abbildung wurde wegen fehlender Quellenangabe entfernt.]

Abb. 5: "Wasser ist H - zwei - O, Zwillinge bedeuten O - H - zwei."

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7 Zusammenfassung

Das Trinkwasser wird aus Grund-, Quell- und Oberflächenwasser gewonnen. Um als Trinkwasser geeignet zu sein muss es bestimmte Anforderungen erfüllen, diese sind in der Trinkwasserverordnung festgelegt. Wenn das Wasser die festgelegten Regeln nicht erfüllt und Grenzwerte überschreitet muss es aufbereitet werden. Bei der Trinkwasser-Aufbereitung durchläuft das Wasser  verschiedene Aufbereitungsschritte: Sedimentation, Filtrierung, Anreicherung mit Sauerstoff, Behandlung mit Ozon und diverse weitere Maßnahmen zur Reinigung und Keimbeseitigung.

Klärung der Frage aus der Einleitung / Möglichkeit 2:

Und was war nun in Bayreuth im Oktober 2007 passiert? Bei einer Qualitätsprüfung des bayreuther Trinkwassers wurde an zwei verschiedenen Stellen eine erhöhte Konzentration an E-Coli-Bakterien gemessen. Diese Konzentrationen waren für die Menschen zwar immer noch im ungefährlichen Bereich, aber als Vorsichtsmaßnahme wurde das Trinkwasser mit einer zusätzlichen Chlor-Zugabe desinfiziert und bekam daher den Geschmack von gechlortem Schwimmbadwasser.

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8 Literatur:

  1. Hütter L. A.: Wasser und Wasseruntersuchung, Otto Salle Verlag, GmbH & Co, Frankfurt am Main, 1990.
  2. http://www.dvgw.de/wasser/rechttrinkwasserverordnung/trinkwasserverordnung/
    anlage-3/   06.12.07.
  3. http://www.bmu.de/gewaesserschutz/fb/trinkwasser_priv_haushalte/doc/3134.php   02.12.08.
  4. http://bayreuthersonntag.gemeinsam-fuer-bayreuth.de/2007/10/21/trinkwasser-nurabgekocht-verwenden/   06.12.07.
  5. http://www.trinkwasser.de/   02.12.08.
  6. Pfeifer, P./Pfeifer, G., Unterricht Chemie, 1992.
  7. Bosel, H., Grommelt, H. J., Oeser, K., Wasser, 1982.
  8. Höll, K., Wasser, 1979.
  9. Häusler, K., Pfeifer, P., Rampf, H., Elemente der Zukunft: Chemie 1, 1989.
  10. Trinkwasser: Das Wasserwerk, Lipura Verlagsgesellschaft, Band 3.
  11. Bayrisches Staatsministerium für Unterricht und Kultus: Sicherheit im naturwissenschaftlichen Unterricht, München 1995.

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 13.04.16