Trinkwasseraufbereitung
Das Wasserwerk Moos

24.07.2019 Das modernste Wasserwerk Europas setzt mit dem CARIX (Produkte und Verfahren mit eingetragenem Markenzeichen) -Verfahren Maßstäbe in Sachen Wirtschaftlichkeit und Trinkwasserqualität.

Nach nur dreieinhalbjähriger Planungs- und Bauzeit ist das Wasserwerk Moos in Deggendorf in Betrieb gegangen.
© Foto: Veolia
Nach nur dreieinhalbjähriger Planungs- und Bauzeit ist das Wasserwerk Moos in Deggendorf in Betrieb gegangen.

Nach nur dreieinhalbjähriger Planungs- und Bauzeit ist das Wasserwerk Moos bei Deggendorf in Betrieb gegangen. 35 Mio. € hat Waldwasser – Zweckverband Wasserversorgung Bayerischer Wald – in eine der modernsten Anlagen Europas investiert. Zugleich hat der Zweckverband seinen Hauptsitz in das neu errichtete Verwaltungsgebäude nach Moos verlagert. Die Wasserversorgung Bayerischer Wald liefert im ostbayerischen Donau-Isar-Raum (mit den Landkreisen Cham, Deggendorf, Dingolfing-Landau, Freyung-Grafenau, Passau, Regen, Straubing-Bogen sowie der großen Kreisstadt Deggendorf) seit über 50 Jahren bestes Trinkwasser. Die Verbandsgebietsgröße beträgt mehr als 8.000 km² und somit über 10 % der Landesfläche Bayerns. Der Landrat des Landkreises Deggendorf, Christian Bernreiter, ist Vorsitzender dieses kommunalen Zweckverbands. Ziel von Waldwasser ist es, die Wasserversorgung in öffentlicher Hand zu halten und als starke Gemeinschaft den Tendenzen der EU-Kommission, die Trinkwasserversorgung mit privaten Investoren zu regulieren, entgegenzuwirken.

Waldwasser-Technikmodule

Das neue Waldwasser-Rechenzentrum ist die Basis der Waldwasser-Technikmodule und ein von der Tekit Consult Bonn GmbH/dem TÜV-Saarland zertifiziertes „Geprüftes Rechenzentrum“ der Stufe 3. Anfang 2020 erfolgt die Zertifizierung nach dem IT-Grundschutz des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI). Der Zugriff auf sämtliche Technikmodule erfolgt online über die waldwasser-Internetplattform www.waldwasser.eu. Durch den integrierten Ansatz der Module werden die wesentlichen Voraussetzungen zur Realisierung des überbetrieblichen Technischen Sicherheitsmanagements (TSM) der DVGW geschaffen. Durch die Waldwasser-Betriebssoftware wird es den Mitgliedern ermöglicht, den immer größer werdenden gesetzlichen Anforderungen bei der Organisation und den technischen Einrichtungen der Wasserversorgung gerecht zu werden. Alle Anlagenteile der Wasserversorgung (Versorgungszonen, Quellen, Brunnen, Hochbehälter, Pumpwerke, Rohrnetze, Schächte sowie Hausanschlüsse) werden abgebildet und können strukturiert dargelegt und verwaltet werden. Über vordefinierte Eingabemasken kann ein Jahresbericht nach den Vorgaben der Eigenüberwachungsverordnung (EÜV) auf Knopfdruck erstellt werden. Dieser Bericht kann dann über eine definierte Schnittstelle an die zuständigen Überwachungs- und Aufsichtsbehörden übermittelt werden. Mit der Waldwasser-Betriebssoftware lassen sich alle Wasserversorgungsdaten übersichtlich darstellen.

 

Das Waldwasser-Rechenzentrum als Basis sämtlicher Technikmodule des Wasserwerks © Foto: Veolia
Das Waldwasser-Rechenzentrum als Basis sämtlicher Technikmodule des Wasserwerks

Die Zentrale des Rechenzentrums © Foto: Veolia
Die Zentrale des Rechenzentrums

Zentrale Enthärtung von Trinkwasser

Grundsätzlich besteht unter gesundheitlichen Aspekten keine Notwendigkeit Calcium und Magnesium und damit die Gesamthärte in einem Trinkwasser zu reduzieren. Da jedoch ein Großteil des Trinkwassers im Haushalt als Brauchwasser verwendet wird, erweist sich hier eine höhere Gesamthärte als störend. Im Kaltwasserbereich kommt es vermehrt zu Kalkbelägen, die einen erhöhten Reinigungsaufwand zur Folge haben. Im Warmwasserbereich sorgen Inkrustierungen in wasserführenden Systemen für einen schlechteren Wärmeübergang und damit zu Energieverlusten, die Lebensdauer von Haushaltsgeräten wird reduziert. Eine indirekte gesundheitliche Folge eines harten Wassers ist außerdem ein vermehrter Eintrag von Kupfer und Zink in das Trinkwasser aufgrund der erhöhten Korrosion bei metallischen Werkstoffen. Wissenschaftliche Studien belegen eine Kosteneinsparung im Privathaushalt (Wasch-, Reinigungsmittel, Wartungskosten, Lebensdauer von Maschinen, Energie) durch enthärtetes Trinkwasser von 50 bis 70 Cent je Kubikmeter Trinkwasser. Dem gegenüber stehen durch den Bau und Betrieb einer zentralen Enthärtungsanlage Mehrkosten für den Verbraucher durch eine erforderlich werdende Wasserpreiserhöhung zwischen 25 und 50 Cent je Kubikmeter.

„CARIX 4.0“

Das Grundprinzip des CARIX (Produkte und Verfahren mit eingetragenem Markenzeichen) -Verfahrens hat sich seit seiner Erfindung am Forschungszentrum Karlsruhe nicht geändert, ein mit Kohlendioxid regenerierbarer Ionenaustauscher enthärtet Trinkwasser. Die neuste Generation an CARIX-Anlagen ist allerdings mit älteren nicht mehr vergleichbar. Sowohl bei der Ausbeute als auch beim Energieverbrauch wurden in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt. Bei einer Enthärtung von 20 bis 25 °dH auf 8 bis 10 °dH liegt der Abwasseranfall bei 4 bis 8 % und der Energieverbrauch ist mit 0,15 bis 0,25 kWh/m3 um die Hälfte gesunken. Neben der höheren Beladungskapazität der Ionenaustauscherharze liegt der Hauptgrund in der Modifizierung der CO2-Rückgewinnung während der Regeneration. Der Unterdruckbereich der Entgasung zur Rückgewinnung von CO2 kann nun zwischen 200 und 1.000 mbar variabel eingestellt werden. Die Aggregate zur Gasförderung sind ausgestattet mit hochenergieeffizienten Synchron-Reluktanzmotoren und Frequenzumformern. Ein neu entwickeltes Regel- und Steuerungskonzept sorgt für eine Energie sparende und bedarfsabhängige Gasförderung.

Aufbereitungstechnik im Wasserwerk Moos © Foto: Veolia
Aufbereitungstechnik im Wasserwerk Moos

Das DVGW Regelwerk zur Trinkwasserenthärtung

Das DVGW Regelwerk umfasst u. a. die technischen Regeln und bietet somit Handlungs- sowie Rechtssicherheit für Planer und Versorger. Das Arbeitsblatt W235-1 (10/2009) erläutert die Verfahrensgrundlagen der Zentralen Enthärtung von Trinkwasser mit alle wesentlichen für die Entscheidungsfindung relevanten Aspekten. Für die Verfahren „Fällungsenthärtung“ (Entcarbonisierung W 235-2, 10/2016) und „Ionenaustauschverfahren“ (CARIX, W 235-3, 04/2012) existieren bereits gültige DVGW-Regelwerke. Bei der dritten zugelassenen Verfahrensgruppe zur Enthärtung von Trinkwasser, der so genannten Membranentsalzung (Nanofiltration, Umkehrosmose), gibt es noch keine gültiges DVGW Arbeitsblatt. Das Arbeitsblatt W 236 (A) „Nanofiltration und Niederdruckumkehrosmose in der zentralen Trinkwasseraufbereitung“ liegt seit 2014 lediglich als Gelbdruck vor, die Endfassung ist bis heute nicht verabschiedet. Hintergrund ist der Einspruch eines Gesundheitsamts aufgrund von Verunreinigungen des Trinkwassers bei einer Umkehrosmose mit AMPA (Aminomethyl-Phosphonsäure, Hauptabbauprodukt von Glyphosat). Verantwortlich für diesen Befund sind Chemikalien (so genannte Antiscalants), die bei jeder Umkehrosmose in den Zulaufstrom zu dosiert werden müssen. Innerhalb eines DVGW-Forschungsvorhabens wurden 19 verschiedene Antiscalants auf Verunreinigungen untersucht, der Abschlussbericht liegt seit November 2016 vor. Der Reinheitsgrad dieser Produkte liegt wesentlich tiefer, als bisher angenommen. Mehr als die Hälfte der Substanzen sind unerwünschte, nicht bekannte Bestandteile. Außerdem halten die Membranen entgegen der bisherigen Auffassung auch im neuen Zustand diese Antiscalants nicht zu 100 % zurück. Aufgrund des noch schlechteren Rückhalts bei Nanofiltrationsmembranen sind diese nicht mehr zu empfehlen. Alle Membranen „altern“, d. h. die Passage von Stoffen in das Trinkwasser steigt im Laufe der Zeit. Ein DVGW-Forschungszentrum untersucht aus diesem Grund ebenfalls Möglichkeiten einer Überwachung der Membranintegrität. Es gibt derzeit keine Möglichkeit eine Verschlechterung der Rückhaltung oder den Defekt einer Membran online zu detektieren. In den verantwortlichen Fachgremien des DVGW wird aus diesen Gründen derzeit ein Rückhalt von 3,5 log-Stufen für die Antiscalants gefordert. Ein Prüf- und Messverfahren zum Nachweis ist noch in der Entwicklungsphase, ob die aktuellen KTW- zugelassenen Membranen diesen Rückhalt erreichen können und vor allem wie lange, ist derzeit noch nicht geklärt.

Behälter zur Enteisenung und Entmanganung des Rohwassers © Foto: Veolia
Behälter zur Enteisenung und Entmanganung des Rohwassers

Die Uranex-Aufbereitungsstufe © Foto: Veolia
Die Uranex-Aufbereitungsstufe

Enteisenung und Entmanganung, Trübstoffabscheidung

Zunächst fließt das Brunnenwasser über 2 Luftpolster-Oxidatoren. Hier wird das Wasser über eine spezielle axiale Niederdruck-Vollkegeldüse in einem Gaspolster versprüht und mit Sauerstoff angereichert. Der Sauerstoff oxidiert das gelöste Eisen und Mangan in die höherwertigere, schwerlösliche Form. In den nachfolgenden druckbetriebenen Kiesfiltern werden Eisen, Mangan sowie andere im Brunnwasser vorhandene Partikel zurückgehalten.

Aktivkohlefilter

Die 2. Aufbereitungsstufe dient der Entfernung gelöster organischer Stoffe wie z. B. Pflanzenschutzmittel (PSM) und Biozidprodukte. Die adsorptive Störstoffentfernung erfolgt mittels einer granulierten Aktivkohle auf Kokosnussbasis (Berkosorb*) Die Aktivkohlefilter dienen als reine Polizeistufe, d. h. bisher liegen alle nach der Trinkwasserverordnung zu untersuchenden Spurenstoffe unter der Nachweisgrenze.

URANEX*-Verfahren

In der 3. Aufbereitungsstufe wird gelöstes Uran mittels eines uranselektiven Ionenaustauscherharzes entfernt. Das Uran ist wie in vielen Grundwässern in Deutschland geogen bedingt, d. h. natürlichen Ursprungs. Die negativ geladenen Uranyl-Carbonato-Komplexe können mit dem URANEX-Material hochselektiv ohne eine Veränderung sonstiger Inhaltsstoffe entfernt werden. Ist das Filtermaterial erschöpft, wird es von Veolia fachgerecht entnommen, transportiert, in einer eigenen Regenerationsanlage in Sachsen regeneriert und wieder eingefüllt. Das Uran wird als Wertstoff rückgewonnen, die Regeneration selbst erfolgt rückstands- und abwasserfrei (Verdampferanlage).

Das Carix-Prinzip in der Übersicht © Foto: Veolia
Das Carix-Prinzip in der Übersicht

CARIX-Verfahren

In der 4. und damit letzten Aufbereitungsstufe wird das Wasser nach dem Prinzip des Ionenaustausches enthärtet, genauer gesagt teilentsalzt. In Deutschland ist CARIX (CArbon Dioxide Regenerated Ion EXhange Resins) das einzig zugelassen Ionenaustauschverfahren für Trinkwasser. Das CARIX-Verfahren dient zur gleichzeitigen Entfernung der Kationen Calcium und Magnesium (Gesamthärte) und der Anionen Hydrogenkarbonat (Karbonathärte), Sulfat, Nitrat und Chlorid sowie einiger Spurenstoffe mit kationischem oder anionischen Charakter wie z. B. Uran, Chrom VI, Vanadium und organischer Kohlenstoff (TOC). Der wesentliche Vorteil des CARIX-Verfahrens liegt in der Regeneration. Anstelle der zur Regeneration von konventionellen Ionentauschern eingesetzten Säuren, Laugen oder Kochsalzlösung wird als Regenerationsmittel Kohlenstoffdioxid (CO2) eingesetzt. Durch die Wahl dieses Regenerationsmittels findet keine Aufsalzung im Abwasser durch Chemikalien statt. Das CARIX-Verfahren ist das einzige Ionenaustauscherverfahren weltweit, bei dem man ausschließlich mit dem Produkt, das bei der Beladung entsteht, auch regeneriert (CO2). Das dabei anfallende Abwasser (Eluat) enthält nur die Inhaltstoffe in konzentrierter Form, die während des Beladungsprozesses aufgenommen wurden. Beim Abwasser aus der CARIX-Anlage handelt es sich somit um ein feststofffreies, klares mit Kohlensäure angereichertes „Mineralwasser“. Aus diesem Grund erhielten bisher 20 dieser Anlagen die Erlaubnis zur Direkteinleitung in den Fluss (Vorfluter). Das Regenerationsmittel CO2 wird zu 90 % zurück gewonnen und im Prozess wieder verwendet.

Die Pumpstation im Wasserwerk Moos © Foto: Veolia
Die Pumpstation im Wasserwerk Moos

Aufbereitungsmengen und Wasserqualitäten

Das Wasserwerk ist konzipiert für eine Trinkwasserabgabemenge von 200 bis 650 m3/h mit einer Gesamthärte von 8 °dH und im Notbetriebsfall für maximal 850 m3/h. Die abgegebene Trinkwassermenge liegt bei 3,8 Mio. m³/a.

Nach dem DVGW-Arbeitsblatt W 235-1 ist die „Calcitabscheidekapazität bei 90°C“ (DC90°C) ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung der „spürbaren“ Kalkausfällungen beim Verbraucher. Nach diesem Arbeitsblatt kann bei einem DC90 °C von größer 70 mg CaCO3/l eine zentrale Enthärtung des Trinkwassers geprüft werden. Im Wasserwerk Moos wird diese Kalkabscheidung um 75 % von 106 auf 27 mg CaCO3 (Kalk) je Liter reduziert. Alle Trinkwasser relevanten Parameter liegen auf einem außerordentlich niedrigen Niveau. Die Werte für Eisen, Mangan, Nitrat, Uran und Radioaktivität liegen unterhalb der Nachweisgrenze, der organische Kohlenstoff (TOC) und der spektrale Absorptionskoeffizient bei 254 nm (SAK 254) werden um ca. 80 % reduziert. Die Carix-Anlage arbeitet im Bypassbetrieb, d. h. der Ablauf CARIX (ca. 5 °dH) wird vollautomatisch über eine Leitfähigkeitsregelung mit Bypasswasser auf einen konstante Wert von 8 °dH im Trinkwasser eingestellt. Sowohl schwankende Aufbereitungsmengen als auch Rohwasserqualitäten, wie sie im praktischen Wasserwerksbetrieb sehr häufig vorkommen, sind deshalb bei CARIX kein Problem.


Korrosionschemische Beurteilung

Sehr wichtig bei der Wahl des Enthärtungsverfahrens ist das Korrosionsverhalten des Trinkwassers bei Kontakt mit metallischen Werkstoffen. Die Trinkwasserverordnung sagt bei 4 Parameterwerten „Das Trinkwasser sollte nicht korrosiv wirken“ und verweist bei der Beurteilung auf die allgemein anerkannten Regeln der Technik (DIN). Die Korrosionstabelle zeigt, dass durch die Teilentsalzung mit CARIX im Wasserwerk Moos alle metallischen Werkstoffe geeignet sind.


Mischbarkeit im Waldwasser Netz

Über einen Hochbehälterverbund ist es möglich, Trinkwasser von dem Wasserwerk Max Binder in das Versorgungsgebiet Moos zu schicken und umgekehrt. Das sehr weiche Trinkwasser der Talsperre Max Binder kann durch die Enthärtung in Moos in allen Verhältnissen ohne negative korrosionschemische Auswirkungen miteinander gemischt werden.

Betriebskosten CARIX und Vergleich mit der Umkehrosmose (LPRO)

Neben CARIX ist die Umkehrosmose, genauer gesagt die Niederdruckumkehrosmose (LPRO), das derzeit einzige in Deutschland zugelassene Verfahren zur Teilentsalzung von Trinkwasser. Die genannten Betriebskosten CARIX sind die seit Oktober 2018 im Wasserwerksbetrieb angefallen, tatsächlichen Kosten. Die LPRO ist konzipiert als 5-straßige Anlage in 2-stufiger Ausführung. In der ersten Stufe sind 10 Druckrohre und in der 2. Stufe sind 5 Druckrohre mit jeweils 6 Membranmodulen (mit KTW Zulassung) installiert. Der mittlere Betriebsflux liegt bei 21 l/(m2xh). Für die Energiekosten kommen 28 Cent je kWh als Zukunftswert zum Ansatz .Die Betriebskosten der CARIX- Anlage sind pro Jahr 410.000 € niedriger als bei der Umkehrosmose. Trotz höherer Investitions- und damit Finanzierungskosten rechnet sich die CARIX-Anlage gegenüber der LPRO ab dem ersten Tag der Inbetriebnahme. Mit Gesamtherstellkosten, d. h. der Summe aus Betriebs- und Finanzierungskosten, liegt CARIX mit 24 Cent je Kubikmeter Trinkwasser trotz höherer Investition 20 % unter den Kosten der Umkehrosmose. Waldwasser spart somit jährlich 240.000 €.

CO2-Belastung durch Strippung des weichen Wassers © Foto: Veolia
CO2-Belastung durch Strippung des weichen Wassers

Das Carix-Verfahren verhindert, dass CO2 direkt in die Atmosphäre gelangt. © Foto: Veolia
Das Carix-Verfahren verhindert, dass CO2 direkt in die Atmosphäre gelangt.

Hohe Energieeffizienz und beste CO2-Bilanz

Sowohl bei CARIX als auch bei der Umkehrosmose kommt es zu einer direkten CO2-Emission. Bei der LPRO gelangen aufgrund der Strippung der überschüssigen Kohlensäure 145 t CO2 direkt in die Atmosphäre. Das zur Regeneration von CARIX eingesetzte Kohlendioxid wird aus dem Abgas von industriellen Prozessen gewonnen, würde also ohne CARIX direkt in die Atmosphäre emittieren. Da CARIX zur Regeneration mehr CO2 verbraucht (CO2 Tank) als durch die bei der Beladung entstehende gestrippte CO2 (Strippung) in die Atmosphäre abgibt, wird die Umwelt jährlich um 70 t CO2 entlastet. Sowohl für den Bau als auch den Betrieb eines Wasserwerks kann man die gesamte CO2 Bilanz (Kohlenstoff-Fußabdruck = Carbon Footprint) berechnen. Die hier vorgenommene Untersuchung basiert auf den Werten der CARIX-Anlage, verglichen wird mit einer Umkehrosmose (LPRO). Zentrale Maßzahl sind die CO2-Äquivalente, die bei der Errichtung und während des Betriebs der technischen Anlagen entstehen. Die spezifische CO2-Emission liegt bei CARIX mit 152 g CO2 je Kubikmeter Trinkwasser 52 % unter dem Wert der Umkehrosmose. Dies bedeutet gegenüber der Umkehrosmose 630 t weniger CO2-Emission jedes Jahr. Verglichen mit dem für Pkw von der EU angestrebten Wert von 95 g CO2 je Kilometer entspricht diese Einsparung durch CARIX einem CO2-Ausstoß von umgerechnet 6,6 Mio. Pkw-Kilometern pro Jahr.

Wasserwerk Moos: CO2-Emission pro m3 Trinkwasser © Foto: Veolia
Wasserwerk Moos: CO2-Emission pro m3 Trinkwasser

 © Foto: Veolia

Der Bund fördert CARIX

Der Bund fördert über ein Sonderdarlehen der KfW Bank CARIX® Kunden insbesondere aufgrund der enormen Energieeinsparung gegenüber der Umkehrosmose. Im Jahr 2017 bewilligte die KfW für den Bau von drei CARIX-Anlagen Kredite in Höhe von insgesamt 12 Mio. €. Neben einem sehr günstigen effektiven Jahreszins von 0,05 % gibt es zusätzlich einen Tilgungszuschuss in Höhe von 5 % auf die Darlehenssumme. Die Förderung ist Bestandteil des Programms zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung.

 

Ein Beitrag von Uwe Sauer und Hermann Gruber.


Veolia Water Technologies Deutschland GmbH

Dipl.-Ing. Uwe Sauer

www.veoliawatertechnologies.de

Waldwasser – Wasserversorgung Bayerischer Wald

Dipl.-Ing. (TU) Regierungsbaumeister Hermann Gruber

www.waldwasser.eu


Fachartikel aus wwt wasserwirtschaft wassertechnik Nr. 6/2019


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