Ertüchtigung der naturnahen Trinkwasseraufbereitung im Ruhrtal durch Aktivkohle

Naturnahe Trinkwasseraufbereitung


Für das Ruhrgebiet wird Trinkwasser aufgrund einer hohen Bevölkerungs- und Industriedichte und eines dafür zu geringen Grundwasserdargebotes überwiegend mittels künstlicher Grundwasseranreicherung gewonnen. Bei diesem naturnahen Aufbereitungsverfahren wird Oberflächenwasser aus der Ruhr entnommen und nach einer ersten Vorreinigung (z. B.  Flockung, Sedimentation, Filtration) über einen Langsamsandfilter in den Untergrund infiltriert (Abb. 1). Dort findet zum einen eine Vermischung mit natürlich gebildetem Grundwasser statt und zum anderen verbessern natürlich ablaufende Reinigungsprozesse wie mechanische Filtration, Sedimentation, Sorption und mikrobiologischer Abbau die Wasserqualität [1]. An der Sohle des Grundwasserleiters wird das Wasser mittels Sickerleitungen oder Sammelbrunnen gefasst und zur weiteren Aufbereitung dem Wasserwerk zugeführt. Dort folgen weitere Aufbereitungsschritte wie Neutralisation abschließender Desinfektion.

<br />Abbildung 1: Schema der künstlichen Grundwasseranreicherung an der Ruhr

Spurenstoffentfernung durch Aktivkohle


Die Qualität des durch eine naturnahe Aufbereitung gewonnenen Trinkwassers ist hochwertig und erfüllt die Anforderungen der Trinkwasserverordnung. Krankheitserreger und Stoffe in gesundheitsschädigenden Konzentrationen werden nachweislich zurück gehalten [2]. Trotzdem ist eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Trinkwasseraufbereitung sinnvoll, da diffuse und punktuelle Einträge anthropogenen Ursprungs eine Abnahme der Gewässerqualität verursachen können. So stellen z. B. organische Spurenstoffe, die im Wasserkreislauf in geringen Konzentrationen nachgewiesen werden können und deren Gesundheits- und Umweltrelevanz nicht immer ausreichend bewertet ist, eine Herausforderung für die Wasserwerke dar. Um die hohen Qualitätsansprüche an das Lebensmittel Trinkwasser auch langfristig sicher gewährleisten zu können, ist eine Ertüchtigung mit weiterführenden Aufbereitungsmaßnahmen sinnvoll. Neben einer oxidativen Behandlung ist die Verwendung von Aktivkohle eine Option zum effektiven Spurenstoffrückhalt.


Aktivkohle kann entweder zu Beginn des Aufbereitungsprozesses als Pulver zudotiert werden oder gegen Ende als Kornkohle (Korngröße 0,6 bis 2,3 mm) in Form eines Festbettfilters zum Einsatz kommen. Der Wirkmechanismus dieser Aufbereitungsstufe ist die physikalische Adsorption, bei der Moleküle reversibel an eine Oberfläche gebunden werden. Die Produktpalette der gängigen Aktivkohlen, die gem. DIN EN 12915 [3] den Reinheitsanforderungen für den Einsatz in der Trinkwasseraufbereitung entsprechen, ist groß. So werden neben Aktivkohlen aus Stein- und Braunkohle auch Aktivkohlen auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Kokosnusskohle, Olivenkernkohle, etc.) angeboten [4]. Zudem wird in jüngster Zeit auch die Anwendung von synthetischen Adsorbentien auf Basis von Polymeren in der Wasseraufbereitung diskutiert.


Die Reinigungsleistung der sorptiven Stufe ist neben der Wassermatrix und der Stoffkonzentration auch von materialspezifischen Eigenschaften, wie der Art und Qualität des Rohstoffes sowie des Aktivierungsgrades des Produktes abhängig. Aus diesem Grund ist es aus Aspekten der Qualitätssicherung und der Wirtschaftlichkeit entscheidend, die Adsorptionskapazität der Aktivkohle für den spezifischen Einsatz vorab abschätzen zu können.

Abbildung 2: Halbtechnische Versuchssäulen in PRiMaT

Halbtechnische Versuchsanlage

Eine für den großtechnischen Einsatz sinnvolle Abschätzung der Adsorptionskapazität kann durch halbtechnische Versuche erfolgen. Exemplarisch für eine solche Versuchsanordnung wurden, im Rahmen  des BMBF-Forschungsprojektes PRiMAT („Präventives Risikomanagement in der Trinkwasserversorgung“), entsprechende Untersuchungen durchgeführt. Ziel war es Unterschiede in der Rückhalteleistung von Aktivkohlen verschiedener Ausgangsmaterialien bei vergleichbaren Betriebsbedingungen beschreiben zu können.

Aktivkohlen auf Basis von Stein-, Braun- und Kokosnusskohle und Adsorberpolymeren wurden in PVC-Säulen gefüllt und im Aufbereitungsprozess eines Wasserwerkes hinter der künstlichen Grundwasseranreicherung vor der abschließenden Desinfektion angeordnet (s. Abb. 2). Bei einer Filterbetthöhe von 1,2 m, einem Filterbettvolumen von 21 L und einer Filtergeschwindigkeit von 9 m/h wurden die Säulen dort bis zu einem minimalen spezifischen Durchsatz von 130 m³ pro Kilogramm Aktivkohle (80 m³/kg bei Polymerkohle) betrieben.

Untersucht wurden neben einigen Begleitparametern wie Wassertemperatur, pH-Wert oder elektrische Leitfähigkeit auch die Betriebstauglichkeit der Materialien in Hinblick auf Druckverlust und Handhabbarkeit bei Einbau und Rückspülung. Die Adsorptionskapazität gegenüber organischen Spurenstoffen wurde u.a. anhand der Stoffkonzentrationen des ansonsten schwer rückhaltbaren Röntgenkontrastmittels Amidotrizoesäure (relativ großes, polares Molekül) im Zulauf der Anlage und im Säulenfiltrat bestimmt.

Abbildung 3: Relative Restkonzentration im Ablauf der Versuchssäulen für Amidotrizoesäure

Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die ersten Stoffdurchbrüche bei den Adsorbentien aus Stein- und Kokosnusskohlen stattfanden. Eine deutlich bessere Adsorptionsleistung ist bei der Braunkohle festzustellen. Generell wurde innerhalb der Versuchsphase bei den herkömmlichen Aktivkohlen der vollständige Stoffdurchbruch erreicht. Die Braunkohle zeigt zudem eine starke Rücklösung (Desorption) der Amidotrizoesäure. Für die eingesetzte Polymerkohle wurde mit deutlichem Abstand der beste Stoffrückhalt erzielt, der bis Ende der Untersuchung eine relative Restkonzentration von 0,2 nicht überschritt.


Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Untersuchungen, dass der Einsatz von Aktivkohle eine effektive Möglichkeit des Spurenstoffrückhaltes während der Trinkwasseraufbereitung darstellt. Neben der Adsorptionskapazität sind als Kriterien für die Auswahl einer geeigneten Aktivkohle für den großtechnischen Einsatz allerdings auch die Aspekte der Betriebseigenschaften und Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.

Literatur

[1] Schulte-Ebbert, U. (2004): Künstliche Grundwasseranreicherung und Untergrundpassage. In DVGW (Hrsg.): Wasseraufbereitung – Grundlagen und Verfahren, Lehr- und Handbuch Wasserversorgung 6, München, 403-439.

[2] Umweltbundesamt (2012): Deutsches Trinkwasser erhält die Bestnote „sehr gut“. Presseinformation Nr. 03/2012.

[3] DIN EN 12915-1 (2003): Produkte zur Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch-Granulierte Aktivkohle Teil 1: frische granulierte Aktivkohle, 09/ 2003.

[4] Haist-Gulde, B. (2013): Entwicklung einer Testmethode für Kornaktivkohlen mit Berücksichtigung der Adsorptionskinetik – Festlegung der Anforderungen an Wasserreinigungskohlen, Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben W4/02/09 des DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches.