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Fachartikel
25. November 2021

Grundwasseraufbereitung

Umkehrosmose mit Remineralisierung

Ein gesetzlicher Höchstwert für Chlorothalonil-Metaboliten im Trinkwasser von 0,1 μg/l hätte für die Wasserversorgungen grosse Auswirkungen. Wie ein mögliches Aufbereitungsverfahren aussieht, welche Lösung für die Netzeinbindung funktioniert und welche Kosten für das aufbereitete Wasser anfallen, wird am Beispiel einer auf Grundwasser basierenden Wasserversorgung aufgezeigt.
Tobias Rieck, Florence Leuzinger, Hannes Ehrensberger, Axel Jacob, Harald Scheel, 


Die Gewässerschutzverordnung (GSchV) gibt vor, dass Grundwasser generell keine künstlichen, langlebigen Substanzen enthalten soll. Wenn Grundwasser als Trinkwasser genutzt wird, gilt beispielsweise für Pflanzenschutzwirkstoffe je Einzelstoff ein Grenzwert von 0,1 µg/l. Das Grundwasser muss zudem die Anforderungen des Lebensmittelrechts erfüllen.
Das Bundesamt für Landwirtschaft (BLW) hat im Dezember 2019 entschieden, die Verwendung von Pflanzenschutzmitteln, die das Fungizid Chlorothalonil enthalten, zu verbieten [1]. Gegen diesen Zulassungsentzug hat die Syngenta Agro AG im Januar 2020 Beschwerde erhoben, der Hauptentscheid des Bundesverwaltungsgerichts ist zum Zeitpunkt der Artikelerstellung noch ausstehend [2]. In diesem wird letztendlich festgelegt, wie Chlorothalonil in Bezug auf die Kanzerogenität einzustufen ist. Weiter ist zu evaluieren, ob bei einer entsprechenden Einstufung alle Metaboliten des Chlorothalonils automatisch als relevant gelten, was zu einem entsprechenden Grenzwert führen würde [2].
In über der Hälfte der Schweizer Kantone sind im Grundwasser Konzentrationen an Chlorothalonil-Metaboliten höher als 0,1 μg/l nachweisbar [3]. Bei den Wasserversorgungen hat die Aussicht auf einen Grenzwert für Chlorothalonil-Metaboliten verschiedene Aktivitäten ausgelöst. Teilweise wurden Möglichkeiten der gegenseitigen Vernetzung ausgelotet und bereits umgesetzt. Es wurden auch Aufbereitungsvarianten betrachtet und deren zeitliche und finanzielle Auswirkungen abgeschätzt.
Die nachfolgend beschriebene Aufbereitung von chlorothalonilhaltigem Rohwasser stellt ein mögliches Vorgehen dar, welches bestehende und bewährte Verfahrensschritte kombiniert.

Verfahrenskonzept

Die Eawag hat unterschiedliche Verfahren auf ihre Eignung zur Entfernung von Chlorothalonil-Metaboliten untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass einzig die Umkehrosmose zur Entfernung beider Metabolitarten, den Sulfonsäuren und den Phenolen, gut geeignet ist [4]. Basis für die Auslegung im Rahmen der hier präsentierten Studie ist eine Konzentration von 0,3 µg/l als Summe der Chlorothalonil-Metaboliten, welche auf unter 0,1 µg/l reduziert werden soll, sowie eine Wassertemperatur von 14 °C.
In Figur 1 ist die Verfahrensidee dargestellt, Figur 2 zeigt das Verfahren im Detail. Das Rohwasser wird von einem Grundwasserpumpwerk in die Anlage gefördert. Dort erfolgt die Abtrennung des Nebenstroms von ca. 20%, der nicht über die Umkehrosmose gegeben wird. Die restlichen 80% werden mit einer Druckerhöhungsanlage über Vor- bzw. Sicherheitsfilter in die Umkehrosmose geleitet.
In der Umkehrosmose werden das Permeat und Konzentrat voneinander getrennt. Das Konzentrat wird über eine Ozonierung und Aktivkohlefiltration so weit aufbereitet, dass es der Kanalisation oder einem Gewässer zugegeben werden kann. Das Permeat wird nach der Umkehrosmose wieder mit Mineralien versetzt, damit es Trinkwasserqualität erreicht. Eine UV-Desinfektion dient als Sicherheitsstufe, bevor das aufbereitete Wasser ins Trinkwassernetz gegeben wird.
Bei der Pilotierung ESB Ipsach wurde für Chlorothalonil und seine Metaboliten in der Umkehrosmose ein Rückhalt von >95% erreicht. Für diese Studie wurde von einem Rückhalt von 90% ausgegangen. Da bei einer Umkehrosmoseanlage neben den zu entfernenden organischen Verunreinigungen auch Mineralien zurückgehalten werden und für die Filtration ein relativ hoher Druck aufgebracht werden muss, ist es nicht sinnvoll, die gesamte Wassermenge über die Umkehrosmose zu führen. Auf der Grundlage des angesetzten Rückhaltes der organischen Verunreinigungen und des Grenzwertes wurde eine Mischungsrechnung durchgeführt, um die Menge an Rohwasser zu ermitteln, die nicht über die Umkehrosmose geführt werden muss (Nebenstrom). Man kann aufgrund des Mischungsverhältnisses zwischen unbehandeltem Rohwasser und Umkehrosmose-Permeat die Konzentration im aufbereiteten Wasser einstellen und so bei einer genügend flexiblen Auslegung der Umkehrosmoseanlage auf wechselnde Wasserqualitäten reagieren.

Einbindung ins Trinkwassernetz

Für die Studie wurde davon ausgegangen, dass das Grundwasser in einem Grundwasserpumpwerk gefasst wird. Die Aufbereitungsanlage wird in einer Industriezone der Gemeinde platziert. Die Anbindung erfolgt über eine neu zu erstellende Verbindungsleitung vom bestehenden Grundwasserpumpwerk zur neuen Wasseraufbereitungsanlage.

Vorbehandlung

Bei Eintritt in die Aufbereitungsanlage wird ein Teilstrom von 20% abgetrennt. Mit einem Zwischenpumpwerk wird der notwendige Druck der restlichen Wassermenge für die anschliessende Umkehrosmose aufgebaut. Der benötigte Betriebsdruck ergibt sich aus verwendetem Membrantyp, Temperatur und Salzgehalt des aufzubereitenden Wassers. Für die Entsalzung von salzarmem Wasser wie Grund-, Fluss- oder Seewasser werden Niederdruck-Umkehrosmosemembranen eingesetzt. Somit wird bereits bei einem Druck von 7 bis 8 bar (15 °C) der Betrieb der Umkehrosmoseanlage ermöglicht.
Die Vorbehandlung einer Umkehrosmoseanlage soll Ablagerungen auf den Membranen wie Kristallisationen (Scaling, s. Fig. 3) durch Überschreiten von Löslichkeitsgrenzen (z. B. CaCO3, CaSO4) sowie Deckschichtbildung (Fouling) durch Einbringen ungelöster Stoffe (z. B. Fe, Mn, Organika) verhindern. Eine Verblockung der Membranen würde unweigerlich zur Reduktion der Leistungsfähigkeit der Membranen führen. Daher werden Partikel und Verunreinigungen entfernt sowie das Rohwasser konditioniert, um einen wartungsarmen Betrieb der Membranen zu ermöglichen.
Für die Studie wurde eine Konditionierung des Rohwassers durch die Zugabe von Härtestabilisatoren (Antiscalants) vorgesehen. Die Funktion eines Antiscalants besteht darin, das Auskristallisieren von schwerlöslichen Salzen zu verhindern oder entsprechend zu verlangsamen, bis das Konzentrat die Umkehrosmoseanlage wieder verlassen hat.
Die Mindestanforderung vor einer Umkehrosmoseanlage ist ein 5 µm-Kartuschenfilter. Dieser ist als Polizeifilter jeder Umkehrosmoseanlage vorgeschaltet. Die Filterkartuschen werden nicht gereinigt, sondern bei einem Druckverlust von 1 bar ausgewechselt. Zusätzlich wurde zur Reduktion des Verbrauches der Filterkartuschen ein 200 µm-Rückspülfilter vorgesehen, welcher per Druckluft gereinigt wird (Fig. 2).

Umkehrosmose

Die Umkehrosmose kommt als «feinstes» Membranverfahren hauptsächlich zur Entsalzung von Wasser zum Einsatz. Hier verbleiben die im zugeführten Wasser gelösten Stoffe (Salze, organische Verunreinigungen, Schwermetalle) im Konzentrat, während das Permeat, das durch die Membran durchgedrückt wird, frei davon ist. Die treibende Kraft, um das Wasser durch die Membran zu transportieren, ist die Nettodruckdifferenz zwischen dem Druck vor der Membran und dem osmotischen Druck des zu entsalzenden Wassers. Als Barriere für gelöste Salze werden mit der Umkehrosmose Salzrückhaltungen von 95% und mehr erreicht. Organische Moleküle mit einer Molekülmasse grösser 100 g/mol werden fast vollständig von der Membran zurückgehalten.
Anthropogene Verunreinigungen in Oberflächengewässern und im Grundwasser sowie das langsame Einsickern von Salzen wie Nitrat haben zugenommen. Dadurch hat sich die Niederdruck- Umkehrosmose überall dort durchgesetzt, wo Trinkwasser von diesen Störstoffen befreit werden soll.
Die meisten eingesetzten Umkehrosmose-Membranen sind Mehrschichtmembranen (Composite-Membranen). Diese bestehen aus drei Schichten (Fig. 4):

  • Träger aus Polyester (ca. 100 µm)
  • Polysulfon-Stützschicht (ca. 45 µm)
  • aktive Schicht aus Polyamid (ca. 0,2 µm) an der Oberfläche


Die Polyamid-Schicht stellt die eigentliche Umkehrosmosemembran dar. Die unterliegenden Schichten dienen zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und leiten das erzeugte, von gelösten Stoffen befreite Wasser (Permeat) ab.

Das Wickelelement besteht aus Umkehrosmose-Flachmembranen, die als Taschen spiralförmig um ein perforiertes Permeat-Sammelrohr gewickelt werden. Eine Membrantasche ist an drei Kanten verschlossen und die offene Seite wird am Permeat-Sammelrohr angebracht. Ein Gewebe aus Polypropylen/Polyethylen wird als Abstandhalter (Rohwasser-Spacer) zwischen die Membrantaschen eingesetzt, sodass sich ein Kanal für das eintretende Wasser ergibt. Zudem hat der Rohwasser-Spacer die Aufgabe, eine Turbulenz an der Membranoberfläche zu erzeugen. Ein Permeat-Spacer (Tricot) wird innerhalb der Membrantasche verwendet, damit das anfallende Permeat zum Sammelrohr abgeleitet werden kann. Wenn das unter Druck stehende Speisewasser das Wickelelement passiert, wird das gereinigte Wasser als Permeat durch das zentrale Sammelrohr gesammelt und das verbleibende Wasser (Konzentrat) fliesst durch das Ende des Wickelelements ab (Fig. 5). Aufgrund der hohen Packungsdichte ist das Wickelelement die bevorzugte Bauform für den Einsatz in einer Umkehrosmose.
Die Umkehrosmose-Wickelelemente werden in sogenannten Druckrohren verbaut (Fig. 6). Je nach Anlagengrösse werden bis zu acht Wickelelemente hintereinander in einem Druckrohr untergebracht. Die einzelnen Wickelelemente werden mittels Permeat-Steckverbinder (Inter-Connector) miteinander verbunden, sodass das gesammelte Permeat aller Wickelemente mittig im Druckrohr gesammelt und abgeführt werden kann. Das zu reinigende Wasser trifft am Eintritt des Druckrohres auf das erste Wickelelement ein und das Konzentrat wird am Ende des Druckrohres nach dem letzten Wickelelement abgeleitet.
Das Konzentrat, das die gelösten Stoffe des aufzubereitenden Wassers in konzentrierter Form enthält, verlässt die Anlage über eine Druckhalteeinrichtung (Konzentrat-Ventil). An diesem wird die Ausbeute der Anlage eingestellt, die das Verhältnis der produzierten Permeatmenge zur eingesetzten Rohwassermenge darstellt. Je höher die Ausbeute, desto mehr eintretendes Rohwasser wird zu Permeat und desto weniger fällt als Konzentrat an. Je nach Rohwasserzusammensetzung und Vorbehandlung kann eine Ausbeute zwischen 50 und 95% erreicht werden.
Aufgrund der Wasseranalysen wurden folgende Grundlagen für die Auslegung der Umkehrosmoseanlage verwendet:

  • Trübung: < o,1 TE/F
  • pH-WErt: 7,5
  • Gesamthärte: 30°fH
  • Anionen: -
  • Nitrat: 10 mg/l
  • Chlorid: 10 mg/l
  • Sulfat: 40 mg/l
  • Kationen: -
  • Calcium: 70 mg/l
  • Kalium: 2 mg/l
  • Magnesium 20 mg/l
  • Natrium: 10 mg/l


Die Umkehrosmoseanlage wird sechsstrassig konzipiert, mit einer Permeatproduktion von 125 m3/h pro Strasse. Es wird davon ausgegangen, dass die Umkehrosmose ca. 80% zur Tagesproduktion beitragen muss, um die Einhaltung des Grenzwertes für Chlorothalonil und seinen Metaboliten sicherzustellen. Um die mögliche Ausbeute der Umkehrosmose festzulegen, wird die Übersättigung schwerlöslicher Salze im Konzentrat berechnet, die noch mit einem Antiscalant stabilisiert werden können. Im Fall der vorliegenden Wasserzusammensetzung wurde eine maximale Ausbeute von 85% berechnet, was eine Aufkonzentrierung des Rohwassers um Faktor 6,7 bedeutet. Dafür wird eine Zugabe von 2 g Antiscalant pro m3 Rohwasser benötigt, um das übersättigte Konzentrat der Umkehrosmose bei einer Ausbeute von 85% noch ausreichend stabilisieren zu können.

Die benötigte Membranfläche ergibt sich aufgrund der Permeatmenge, der Klassifizierung des Rohwassers sowie der vorgesehenen Vorbehandlung. Für Grundwasser wird ein spezifischer Permeatdurchfluss von 22 bis 26 Liter per m2/h als Richtwert verwendet. Für 125 m3/h werden etwa 5000 m2 Membranfläche benötigt. Pro Umkehrosmose-Wickelelement in der 8040-Baugrösse (Länge: ca. 1 m/Durchmesser: 200 mm) werden 41 m2 Membranfläche zur Verfügung gestellt. Theoretisch werden 122 Stück Membranwickelelemente benötigt. Diese sind in Druckrohren unterzubringen – sechs Stück pro Rohr. Die Anströmung pro Druckrohr sollte 15 m3/h nicht überschreiten, auch sollte der Konzentratdurchfluss, zwecks genügender Überströmung der Membrane, 3 m3/h nicht unterschreiten. Als ideale Anordnung der Druckrohre ergibt sich somit eine Abstufung von 14:6:3 mit jeweils sechs Umkehrosmose-Elementen pro Druckrohr. Dabei wird das Konzentrat jeweils an die nächste Stufe weitergegeben, das Permeat aller Druckrohre wird im Permeattank gesammelt. Figur 7 zeigt ein Beispiel einer Umkehrosmoseanlage.

Remineralisierung

Zur Remineralisierung eignet sich die Teilstromaufhärtung mit dem Reinerzauer Verfahren [5]. Hierbei wird ein Teil des Wassers bis zum Gleichgewichts-pH-Wert aufgehärtet und dieses vor Netzabgabe mit der Bypass-Wassermenge zugemischt, so dass letztendlich eine für die Einleitung ins Trinkwassernetz optimale Mineralisierung vorliegt.
Das klassische Szenario beschreibt die Aufhärtung mit der Passage des Permeats durch einen mit Kalksteinkörnung gefüllten Reaktor (i. d. R. spricht man von einem Filter, s. Fig. 8), der den Aufhärtungsgrad über die Kontaktzeit (EBCT, Empty Bed Contact Time) bestimmt. Als Filtermaterial eignet sich entweder die Jura-Epsilon-Kalksteinqualität oder, falls die Dimensionierung der Anlage räumlich begrenzt ist, ein hochreaktiver halbgebrannter Dolomit, der als zusätzliche Komponente eine Magnesiummineralisierung mitbringt.
Im Unterschied zum Calcite Contactor stellte Omya für die Studie ein Szenario mit dem Omyaqua®Omya Advanced Remineralization Process (OARP) vor, der im Vergleich zum klassischen Verfahren einen geringeren Platzbedarf aufweist. Hierbei wird anstelle eines grobkörnigen Filtermaterials ein fein mikronisiertes Calciumcarbonat höchster Güte, mit einem mittleren Teilchendurchmesser von ca. 3 µm, eingesetzt. Für die Remineralisierung von entsalztem Wasser wird mit dem OARP eine konzentrierte Calciumbicarbonatsuspension in einem Nebenstrom über einen Membran-Calcit-Reaktor produziert, die dann in den Rohwasserteilstrom zudosiert wird, um die Härte und Alkalität des Reinwassers zu erhöhen (Fig. 9 und 10). Die zudosierte Suspension, die CO2-Dosierung und die Kontaktzeit können spezifisch eingestellt werden, um die gewünschte Trinkwasserqualität zu erreichen. Die Teilstromaufhärtung wird hier ebenfalls angewandt.

Abschlussdesinfekion und Netzeinbindung

Als Sicherheitsstufe erfolgt im Anschluss an die Remineralisierung eine Desinfektion mittels UV-Bestrahlung. Danach erfolgt die Einspeisung ins vorhandene Trinkwassernetz mit dem erforderlichen Netzdruck.

Konzentrataufbereitung

In der Studie wird das Konzentrat aus der Umkehrosmose in Vorlagen zwischengespeichert und über eine Pumpe weitergefördert. Es ist eine zweistufige Konzentratbehandlung mittels Oxidation mit Ozon und anschliessender Aktivkohlefiltration vorgesehen, basierend auf den Erfahrungen der Stufen zur Elimination von Mikroverunreinigungen bei Abwasserreinigungsanlagen. Das Ziel dieser Behandlung ist es, die aufkonzentrierten Stoffe vor der Abgabe in die Umwelt soweit wie möglich zu reduzieren und unschädlich zu machen, wobei aber keine Trinkwasserqualität erreicht wird.
Bei einer Ozonung mit ausreichender Ozondosierung und Reaktionszeit erfolgt eine Oxidation der organischen Wasserinhaltsstoffe. Dadurch werden diese Verbindungen aufgrund der Aufspaltung von Mehrfachbindungen und langen Molekülketten in der Regel besser biologisch abbaubar bzw. können besser an Aktivkohle adsorbiert werden. Auf Basis von Sauerstoff wird Ozon hergestellt, das dem Konzentratstrom zugegeben wird. Die Dosierung des Ozons erfolgt inline in einen Schlaufenreaktor, in dem die notwendige Reaktionszeit sichergestellt ist. Anschliessend wird das ozonierte Wasser über Aktivkohlefilter gegeben. Die Aktivkohlefilter werden mit einer für Aktivkohlefilter üblichen Filtergeschwindigkeit von 5-10 m/h und einer Aufenthaltszeit von 20-30 min ausgelegt. Mit diesen beiden Verfahrensschritten sollen die akkumulierten Stoffe aus dem Wasserstrom entfernt und unschädlich gemacht werden. Es wird davon ausgegangen, dass das behandelte Konzentrat in die Kanalisation eingeleitet werden kann. Je nach Erfolg der Konzentratbehandlung kann das Wasser auch in ein Oberflächengewässer geleitet werden.

Kosten

Die Abschätzung der Investitionskosten erfolgte auf der Grundlage von Richtpreisangeboten. Neben den Anlagenkosten sind auch Kosten für die direkte Anbindung der neuen Aufbereitungsanlage an das Grundwasserpumpwerk sowie ein Ersatz der Grundwasserpumpen aufgrund ändernder Druckanforderungen berücksichtigt worden. Es wurde davon ausgegangen, dass für die Erstellung des Aufbereitungsgebäudes mit zwei Geschossen auch ein entsprechendes Grundstück erworben werden muss, wofür ein konservativer Grundstückspreis eingesetzt wurde.
Für die Kostenberechnung der Grundwasseraufbereitung wurden die Investitionskosten mit einer Genauigkeit von ±30% auf 33,0 Mio. Franken (exkl. MwSt.) abgeschätzt. Die Investitionskosten wurden mit unterschiedlichen Abschreibungsdauern berücksichtigt:

Kostengruppe Investitionskosten (Fr.) Abschreibungsdauer
Landerwerb 2,0 Mio. keine Abschreibung
Bauwerk 10,0 Mio. 30 Jahre
Elektromechanische Ausrüstung, ohne Membranen 5,5 Mio 15 Jahre
Membranen 0,5 Mio. 10 Jahre
Elektrotechnik (EMSRT) 4,5 Mio. 10 Jahre
Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Sanitärtechnik (HLKS) 1,0 Mio. 15 Jahre
Baunebenkoste 9,5 Mio. anteilsweise aufgeteilt

Investitionskosten und Abschreibungsdauer pro Kategorie für die Jahreskostenberechnung.

Bei den Betriebskosten werden der Stromverbrauch, die Betriebsmittel, die Entsorgung und der Unterhalt sowie die Personalkosten berücksichtigt. Für die Jahreskosten resultiert eine Summe von 4,0 Mio. Franken. Mit einer jährlichen Produktionsmenge von ca. 4,0 Mio. m3 Grundwasser liegen die geschätzten Kosten bei 1.00 Fr. pro m3 für diesen zusätzlichen Aufbereitungsschritt des Grundwassers zur Entfernung des Chlorothalonils. Der heutige Preis für Trinkwasser variiert je nach Ort und liegt im Schweizer Durchschnitt bei 2.00 Fr. pro m3 [6]. Die Aufbereitung mittels Umkehrosmose würde also im vorliegenden Fall eine mögliche Erhöhung von ca. 50% des heutigen Preises bedeuten.

Fazit

Das vorgestellte Verfahren ist eine mögliche technische Lösung zur Reduktion von Chlorothalonil-Metaboliten im Grundwasser. Verschiedene Wasserversorgungen haben bereits Massnahmen zur Reduktion der Verunreinigungen getroffen oder sind an der Evaluation möglicher organisatorischer und technischer Massnahmen. Der Hauptentscheid des Bundesverwaltungsgerichtes wird wegweisend sein, ob eine Aufbereitung in diesem Umfang bei einzelnen Wasserversorgungen Thema sein wird.

Bibliographie

[1] Bundesamt für Landwirtschaft (2019): «Zulassung für Chlorothalonil wird mit sofortiger Wirkung entzogen», 12. Dezember 2019
[2] Bundesverwaltungsgericht (2021): «Chlorothalonil: Zweite Zwischenverfügung», 18. Februar 2021 
[3] Bundesamt für Umwelt BAFU (2021): «Chlorothalonil-Metaboliten im Grundwasser», 16. September 2021 
[4] Eawag (2020): «Chlorothalonil-Metaboliten: Eine Herausforderung»
[5] Baldauf, G.; Rapp, J; Noe, B. (1990): «Das Reinerzauer Verfahren- eine neuartige Variante zur Trinkwasseraufbereitung aus einer Talsperre,» Das Gas- u. Wasserfach, Wasser/Abwasser 131, pp. 22–29
[6] SVGW (2018): «Trinkwasser, Wasserpreis» 

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