Gesundes Wasser

für ein gesundes Leben

Desinfektion mit UV-Licht Wasser ist unser wertvollstes und wichtigstes Lebensmittel. Daher ist unabdingbar die Forderung zu erfüllen, dass das Wasser für den menschlichen Genuss geeignet sein muß.

Leider entspricht es aber infolge natürlicher oder Zivilisationseinflüsse vielfach nicht mehr diesen Anforderungen und kann sogar gesundheitsschädigend sein. Wo kein von Natur aus einwandfreies Wasser zur Verfügung steht, muss es aufgearbeitet werden.

Vielfach funktionieren solche Aufbereitungsverfahren aber nur unter Zuhilfenahme von Chemie. Erwiesenermaßen ist der Einsatz der Chemie wohl auf der einen Seite sehr hilfreich, aber auf der anderen Seite sehr oft mit Nachteilen bezüglich der Wasserqualität verbunden. Vor allem die Desinfektion des Trinkwassers, z.B. mit Chlor, produziert wiederum gesundheitlich bedenkliche Wasserinhaltsstoffe. Vor allem bei Vorhandensein von organischen Substanzen, wie z.B. Huminstoffen, sind der oxidativen Desinfektion mit Chlor Grenzen gesetzt.

Als gesunde und ökologisch anerkannte Alternative bietet sich die Desinfektionsmethode mittels UV-Licht an. Dieses physikalische Verfahren inaktiviert die Mikroorganismen im Wasser ohne Zuhilfe von Chemie und ohne Veränderung der Wassercharakteristik.

Vorschriften der Trinkwasserverordnung
Die Trinkwasserqualität sowie die möglichen Aufbereitungsmethoden sind in den europäischen Ländern jeweils durch Normen oder Verordnungen festgelegt.
Generell sollen die Werte der WHO bzw. der EG-Richtlinien herangezogen werden, wie es auch in der neuen Trinkwasserverordnung der Fall ist. Dadurch verschärft sich die Situation für die Aufbereitung von Wasser mit erhöhten Gehalten an natürlichen organischen Substanzen (Huminstoffen).

Durch die nunmehr maximal zulässige Zugabemenge für Chlor, Chlordioxid, Ozon und Wasserstoffperoxid (H2O2) und die nach der Aufbereitung noch zulässigen Restkonzentrationen und Gehalte an Reaktionsprodukten, ergibt sich die Situation, dass die Zugabemengen an chemischen Desinfektionsmitteln in vielen Fällen für eine einwandfreie Desinfektion nicht mehr ausreichen.

Z.B. führt der Grenzwert für Chlorid (0,25 mg/l) bei Anwesenheit von reduzierenden organischen Substanzen dazu, dass die zulässige Zugabemenge für Chlordioxid von 0,4 mg/l häufig nicht ausgeschöpft werden kann. Die Folge ist das Risiko einer nicht ausreichenden Desinfektion.
Ähnlich ist die Situation bei Chlor bzw. Ozon, wo durch die Zugabenbegrenzung bei Vorhandensein von organischen Substanzen und unter Einhaltung der Grenzwerte (0,3 mg/l freies Chlor und 0,01 mg/l Trihalomethane) keine ausreichende Desinfektionswirkung erreicht wird.

Probleme der Desinfektion mit Chlor
Es gibt zahlreiche Beispiele in Wasserwerken, in denen die Desinfektion mit Chlor – unter Berücksichtigung der Trinkwasserverordnung – praxisrelevante Probleme ergab. Neben der Tatsache, dass bei Einhalten der Vorschriften eine unzureichende Desinfektion erfolgt, steigen die Analysenwerte der Trihalogenmethane weit über den Grenzwert hinaus und damit in den Bereich einer gesundheitsschädigenden Wirkung.
Wird nun trotz der Zugabenbegrenzung mit erhöhten Chlormengen desinfiziert, so wird diese wiederum durch die damit einhergehende pH-Wert-Erhöhung geschwächt. Die Folge ist, dass immer höhere Chlorzugabenmengen notwendig sind, um eine Desinfektionswirkung zu erhalten. Das ergibt eine Spirale ohne Ende.

Durch den Einsatz von Chlor zur Desinfektion wird aber auch das biologische Verhalten des Wassers in Speichern und Rohrleitungen beeinflusst. Durch die Zugabe von Chlor und dessen oxidativer Wirkung werden die mikrobiell abbaubaren organischen Substanzen von makromolekularer Größe in niedermolekulare Materie abgebaut. Damit sind diese wesentlich besser als Nährstoff für die Mikroorganismen geeignet und tragen damit in verstärktem Maße zur Wiederverkeimung im Rohrleitungsnetz bei. Dadurch entsteht der Effekt, dass entweder relativ hohe Chlorzugaben notwendig sind, um das biologische Gleichgewicht in den Rohrleitungen herzustellen oder sogar – ähnlich dem vorgenannten Beispiel – die Chlorzugaben ständig erhöht werden müssen.

Das Fazit dieser Betrachtung ist, dass wohl vordergründig Chlor zur Desinfektion zugegeben wird, aber die Wahrscheinlichkeit sehr groß ist, dadurch zusätzliche unerwünschte Nebenwirkungen zu erhalten, die das Verfahren eigentlich ad absurdum führen.

In Folge dessen muss man sich Gedanken machen über die Neukonzeption, nicht nur der Desinfektion, sondern vor allem auch der jeweiligen gesamten Aufbereitungsverfahren. Dazu soll nachstehend lediglich die Frage der Desinfektion und der alternativen Methoden mittels UV-Licht besprochen werden.

Wirkung von UV-Strahlung
UV-Strahlen sind energiereiche, elektromagnetische Strahlen, die im natürlichen Spektrum der von der Sonne ausgehenden Strahlung vorkommen. Die bakteriologische Wirksamkeit wurde auf Grund der Tatsache festgestellt, dass die oberste Schicht eines stehenden Gewässers stets geringere Keimzahlen als die darunter liegenden aufweist.

Wir nehmen also die Sonne sozusagen als Vorbild und verwenden bei der Trinkwasserdesinfektion den Bereich UVC mit einer Wellenlänge von 200 - 280 nm. Der Bereich unter 200 nm beinhaltet ionisierende ozonerzeugende Strahlen, die wir durch technische Maßnahmen (Dotierung der Quarzgläser mit Titandioxid) nicht zum Einsatz bringen. Dieser Strahlungsbereich ist auch für das Trinkwasser nicht zugelassen.

Die Wellenlänge 254 nm hat eine besonders starke Entkeimungsleistung. Begründet ist dies darin, dass das Absorbtionsspektrum der DNS (Desoxiribonucleinsäure) mit ihrem Maximalwert zwischen 260 und 280 nm liegt. Die für die UV-Desinfektion verwendeten Quecksilberniederdruckstrahler haben ihren höchsten Emissionswert bei 254 nm und decken sich somit nahezu mit der Absorptionskurve der DNS.
Durch die hohe Absorption der Nucleinsäure in diesem Emissionsbereich wird eine fotochemische Reaktion ausgelöst, die eine Unterbrechung der genetischen Information zur Zellvermehrung und für den Stoffwechsel bewirkt. Die Mikroorganismen werden auf diese Weise inaktiviert und unschädlich gemacht.

Bei diesem Vorgang entstehen keinerlei gesundheitlich relevanten Nebenprodukte und das Wasser behält seinen natürlichen Geschmack und Geruch.

Voraussetzung für den Einsatz der UV-Desinfektion
Wie für jedes andere Desinfektionsverfahren ist die Voraussetzung gegeben, dass das Wasser den Richt- und Grenzwerten der Trinkwasserverordnung – mit Ausnahme jener für die bakteriologische Qualität - entspricht.

Für eine sichere Auslegung der UV-Anlage müssen vor allem die maximal mögliche Durchflußmenge und die minimal zu erwartende sogenannte UV-Durchlässigkeit festgelegt werden.
Darüber hinaus gibt es verschiedene Randbedingungen, die ebenfalls in die Beurteilung und Anlagenkonzeption einfließen, über die man jeweils projektbezogen sprechen muss.

Technik und Aufbau einer UV-Entkeimungsanlage
Das Kernstück einer UV-Anlage ist der UV-Strahler zur Herstellung des künstlichen UV-Lichtes. Es werden dafür fast ausschließlich Quecksilber-Gasentladungsstrahler eingesetzt. Diese sind ähnlich aufgebaut wie die bekannten Leuchtstoffröhren, wobei Unterschiede im Gasgemisch und eine gezielte Dotierung mit Quecksilber vorhanden sind. Durch Verwendung von UV-durchlässigem Quarzglas für das Strahlerrohr gelangt das kurzwellige UV-Licht nach außen.

Es gibt drei Arten von Quecksilber-Gasentladungsstrahlern:

  • Niederdruckstrahler
  • Mitteldruckstrahler
  • Hochdruckstrahler

Die von uns verwendeten Niederdruckstrahler können mit geringer Leistung betrieben werden, erzielen jedoch einen sehr hohen Wirkungsgrad von ca. 45 % gegenüber den ebenfalls teilweise eingesetzten Mitteldruckstrahlern mit einem Wirkungsgrad von 6 - 10 % wirksamer Strahlungsleistung im UVC-Bereich.

Das bewirkt, dass die Betriebskosten von Anlagen mit Mitteldruckstrahlern wesentlich höher sind, als von solchen mit Niederdruckstrahlern.

Die Strahlernutzungsdauer eines Niederdruckstrahlers beträgt zwischen 8.500 und 10.000 Betriebsstunden, die eines Mitteldruckstrahlers bis zu 3.000 Betriebsstunden. Durch eine Leistungsregelung kann, allerdings mit Kostenaufwand, die Lebensdauer geringfügig verlängert werden.
Der übliche Aufbau einer UV-Anlage ist im nächsten Bild dargestellt. Es handelt sich dabei um Anlagen für kleinere Wassermengen mit einem zentrisch angeordneten UV-Strahler. Diese Kammern kann man nach Bedarf hintereinander schalten.
Ab einer Größenordnung von vier Strahlern gibt es die Ausführung als sogenannte Kompaktanlage mit mehreren innerhalb der Bestrahlungskammer angeordneten UV-Strahlern.

Im Schnittbild ist ersichtlich, dass die UV-Strahler durch ein Tauchrohr aus Quarzglas vor dem direkten Kontakt mit dem Wasser geschützt sind. Wo es von der Hydraulik her notwendig ist, sind Einbauten innerhalb der Kammer angebracht, um die Strömungsverteilung zu optimieren. Die Bestrahlungskammer selbst ist aus Edelstahl gefertigt und in der Regel für einen Druck von 10 bar ausgelegt. Sonderfertigungen für höhere Drücke sind möglich. Die Anschlüsse können im Bedarfsfall ebenfalls angepasst werden.

Die elektrische Ausführung der Anlagen entspricht den europäischen Standards (z.B. VDE). Die Ausstattung der Anlagen beinhaltet alle erfahrungsgemäß notwendigen oder möglichen Steuerfunktionen für den Betrieb in Wasserwerken.
In Verbindung mit Pumpen, Zu- und Abschaltungen oder Ventilansteuerungen ist gewähr-leistet, dass nur entkeimtes Wasser aus der Anlage abgegeben wird.
Ein Sensor für die Überwachung der Strahlungsintensität innerhalb der Bestrahlungskammer und eine Auswerteelektronik, welche die Schaltpunkte für die Minimalbestrahlungsstärken aufweist, tragen zur sicheren Funktionsweise bei.

Einbaumöglichkeiten von UV-Anlagen
Auf Grund ihrer Konstruktion können UV-Anlagen direkt in die Förderleitungen eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise wird die UV-Anlage bei einer Wasserversorgung unmittelbar nach der Wassergewinnung und einer eventuellen Aufbereitung, auf jeden Fall vor dem Verteilernetz und eventuellen Speicherbehältern eingebaut. Es ist keine Druckunterbrechung und auch keine Reaktionszeit notwendig, so dass zusätzliche Pumpen und Behälter entfallen. Durch den modularen Aufbau ist es möglich, auch veränderte Betriebsbedingungen durch späteres Hinzufügen von Anlagenelementen anzupassen. Auch der nachträgliche Einbau von Anlagen in bestehende Wasserversorgungen ist problemlos möglich.
Wie vorab erwähnt, ist die Integration in bestehende Steuer-, Sicherheits- und Überwachungseinrichtungen möglich. Größere Anlagen werden mit einer speicher-programmierbaren Steuerung nach internationalem Standard ausgestattet.

Dimensionierung und Garantien
Die Dimensionierung erfolgt auf Grund der festgestellten oder festgelegten Eckdaten. Die Anlage wird für den schlechtesten möglichen Betriebszustand ausgelegt und konzipiert. Dazu wurde von uns ein auf wissenschaftlicher Basis entwickeltes PC-Programm erstellt, welches alle strahlenphysikalischen Gesetze und Faktoren, die Konstruktion der Anlagen und die Wasserbeschaffenheit berücksichtigt.

Die Garantien erstrecken sich neben den üblichen technischen Garantiebestimmungen für die Bestrahlungskammer und die elektrische Ausrüstung vor allem auf die Funktionsgarantie. Grundlage für die bakteriologische Garantie ist die Trinkwasserverordnung, die eine bestimmte Dosis und bestimmte bakteriologische Grenzwerte im Reinwasser vorgibt. Die Garantie für die UV-Strahler, deren Leistungscharakteristik im Übrigen in die Berechnung der UV-Anlagen eingeht, bezieht sich auf eine aliquote Abrechnung über die Lebensdauer bei vorzeitigem Ausfall. Die Laufzeit selbst beträgt mindestens 8.500 Stunden inkl. aller Einschaltungen. Eine Einschaltung der Anlage ist gleich zu setzen mit einer Betriebsstunde.

Betriebskosten und Wartung
Die Betriebskosten betragen in Abhängigkeit von der vorgegebenen Wasserqualität 0,5 – 1,5 Pfennig pro m³ aufbereiteten Wassers.
Darin enthalten sind die Strahlerersatzkosten, die Stromkosten und die Amortisation der Anschaffung über einen Zeitraum von 10 Jahren.

Die Wartung besteht in der Regel aus dem Austauschen der UV-Strahler nach der vorgegebenen Laufzeit sowie einem eventuellen Reinigen der Quarzschutzrohre infolge Belagsbildung. Diese ist vor allem bei Eisen- und Mangangehalten zu erwarten. Aber auch diese Reinigung ist relativ leicht durchzuführen, so dass insgesamt der Wartungsaufwand als sehr niedrig und sehr einfach zu bezeichnen ist.

Zusammenfassung
Auf Grund von chemisch-physikalischen Belastungen, muss das Wasser aufbereitet werden. Oft wird dadurch die natürliche bakteriologische Belastung verstärkt bzw. durch den Einsatz von Chemie, die chemische Wasserbeschaffenheit verschlechtert. Es entstehen unerwünschte Folgeprodukte (THM) und Wiederverkeimungsprobleme.

Durch die neue Trinkwasserverordnung und die Einschränkung der Zugabe von Desinfektionsmitteln wird zwar dieser Situation Rechnung getragen, auf der anderen Seite aber sehr oft keine ausreichende Desinfektion erreicht.
Es müssen daher die bestehenden Wasseraufbereitungsanlagen und die Verfahren verbessert und überarbeitet werden. Alternativen, nicht nur in der allgemeinen Aufbereitung, sondern vor allem in der Desinfektion, sind notwendig.

Die Desinfektion von Trinkwasser mit UV-Strahlen ist ein mittlerweile bewährtes und sicheres Verfahren, sofern bestimmte Voraussetzungen dafür eingehalten werden und die Anlage selbst richtig dimensioniert wird.

Das Problem der Wiederverkeimung wird durch die UV-Bestrahlung nicht erhöht, sondern durch den Wegfall oder starke Reduzierung der Chlorzugabe wesentlich abgeschwächt.

Literaturhinweis:

  • Wichmann, Knut
    Verkeimung und Haloformbildung durch Huminstoffe bei der Trinkwasserversorgung, bbr 7/92
  • Bernhard H., Hoyer O., Hengesbach B., Schoenen D., Karanis P., Moriske H.J., C. von Sonntag, Sommer R., Cabaj A.
    Abschluss-Statusseminar
    Untersuchungen zur hygienischen Sicherheit der Trinkwasserdesinfektion mit UV-Strahlen