Projekt 26342/01

Entstehung von Desinfektionsnebenprodukten (DNP) bei der oxidativen Trinkwasserbehandlung nach dem electrochemical advanced oxidation process

Projektträger

SET selected electronic technologies GmbH
Am Marienhof 10
22880 Wedel
Telefon: (04103) 91239-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung dieses Projektes ist es mittels eines elektrochemischen Verfahrens unter Verwendung von Diamantelektroden eine Desinfektion von Trinkwasser zu erreichen, wobei die Konzentration von Desinfektionsnebenprodukten (DNP), der Trinkwasserverordnung entsprechen muss. Das hergestellte Desinfektionsmittel Ozon kann als Oxidationsmittel bei einer bestimmten Konzentration von Wasserinhaltsstoffen, wie z.B. Brom und Chlor, in geringfügigen, der Trinkwasserverordnung entsprechenden Konzentrationen oxidieren. Die potentiell entstehenden DNP (Bromat, Chlorat) sollen der nachweislichen Ozonkonzentration und Desinfektionsleistung gegenübergestellt werden. Somit kann der Nachweis erbracht werden, dass eine Desinfektion erfolgt, ohne die oberen Konzentrationsbereiche der untersuchten DNP in Bezug auf die deutsche Trinkwasserverordnung bzw. WHO zu verletzen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs fand ein Projekttreffen in der CONDIAS GmbH mit der Zielsetzung, problemorientiertes Trinkwasser zu definieren, statt. Dieses Trinkwasser sollte Inhaltsstoffe enthalten, die durch Ozon aufoxidierbar sind unter der Vorrausetzung, dass sie real in Trinkwasser vorliegen. Ein Reaktor wurde neu konstruiert, in diese Konstruktion floss die Erfahrung des letzten Jahres bezüglich der Entwicklungsfortschritte ein. Es wurden Testwasser gesucht und charakterisiert, die als problematisch für die Desinfektion mit Ozon gelten. Folgende Versuche wurden durchgeführt.
A) Messung der Ozonkonzentration in Abhängigkeit des eingesetzten Stroms (Grundlage der angewandten Methode: Indigokarmin wird spezifisch durch Ozon oxidiert)
B) Messung der Desinfektionsleistung durch Lebendkeimbestimmung an E.coli
C) Messung der DNP durch Ionenchromatographie
Unter den desinfektionsspezifischen Parametern wurde eine gutachterliche Bestätigung der Ergebnisse eingeholt. Hiermit wurden die Ergebnisse der CONDIAS GmbH bestätigt.
Es wurden weiterhin Anwendungsversuche am Testaufbau der SET GmbH durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Das einleitende Projekttreffen zur Definition der problemorientierten Testwasser setzte sich aus Kompetenzen unterschiedlicher Bereiche der Trinkwasseranwendung zusammen. Es waren sowohl Fachexperten aus der Grundlagenforschung als auch der industriellen Anwendung anwesend, somit konnte eine umfassende Diskussion über die Entstehung von DNP in Trinkwasser durch Ozon getätigt werden.

Ein optimierter Reaktor, genannt CP-100, hat die in-line Herstellung von Ozon aus Wasser stark verbessert. Dieser Reaktor basiert auf Erfahrungen, deren Grundlage in KOMPAKT aufgebaut und bei dem weitere Erkenntnisse von unterschiedlichen Entwicklungsprojekten eingeflossen sind. Dies hat einen Mehraufwand bedeutet, da nicht auf bekannte Ozonkonzentrationen und Abhängigkeiten zurückgegriffen konnte bzw. die physikalischen Einstellungen nicht aus vorbekannten Werten übernommen werden konnten. Ein Fazit dieses Projektes ist, dass der optimierte Reaktor eine weitaus niedrigere Menge an gelöstem Ozon benötigt, um eine Desinfektion hervorzurufen, als es in KOMPACT gezeigt wurde. Ein sehr gutes Ergebnis ist, dass eine niedrigere Ozonkonzentration eine niedrigere Konzentration von DNP bewirkt bei hoher mikrobieller Abtötungsleistung.

Es wurden drei Testwasser unterschiedlicher Problematiken bearbeitet.
- Standard-Trinkwasser: Itzehoe (15-18mg/l Chlorid, nicht nachweisbares (n.n.) Bromid)
- hoher Chlorid (150mg/l) und Bromid (0,3mg/l) Gehalt: Kremperheider Trinkwasser
- Hoher TOC: mit Huminsäure angereichertes Itzehoer Trinkwasser (TOC ca.10mg/l)
Alle Wässer konnten aus der Umgebung (als Leitungswasser) frisch entnommen werden. Allerdings musste bei dem Wasser mit hohem TOC-Gehalt eine Zwischenlösung gewählt werden, die mit dem Projektkomitee abgesprochen wurde. Der TOC-Gehalt wurde künstlich durch einen Blumenerdeaufguss erhöht, da ein Wasser mit hohem TOC-Gehalt nicht als Trinkwasser aus der Umgebung zu bekommen war.

Mit den eingesetzten Methoden -Bestimmung der Ozonkonzentration, Festhalten der mikrobiellen Abtötungsleistung, Messung der DNP konnten die Proben fast zeitgleich gemessen werden. Hierdurch können Abhängigkeiten ideal festgehalten werden. Für das externe Gutachten wurden Bedingungen gewählt, die als sichere Abtötungsleistungen gelten.

Der externe Gutachter Herr Dr. K. Poremba - Sachverständiger für Mikrobiologische Untersuchungen wurde einbestellt, um die Untersuchungsergebnisse zu überprüfen. Hierzu wurden die zentralen Einstellungen gewählt, bei denen eine sichere Desinfektion stattfand und der Nachweis erbracht werden sollte, welche Konzentration an DNP vorhanden ist. Die externen Messungen und die Beurteilung der LUFA-ITL, die auf die Untersuchung von Trinkwasser zertifiziert ist, ergaben, dass die behandelten Trinkwasser auf die untersuchten DNP unbedenklich sind und als Trinkwasser frei gegeben wurden. Die Analysenergebnisse von Chlorat lagen unterhalb des Grenzwertes der WHO, für Bromat unterhalb der Nachweisgrenze. Die von der LUFA-ITL gemessenen Chlorat- und Bromat-Werte bestätigten die Analytik der CONDIAS GmbH, da alle Werte übereinstimmten.

Auszug aus dem externen Gutachen von Herrn Dr K. Poremba Seite 6:

Tabellen
Tab. 1: Produktion von Bromat und Chlorat sowie Abtötung von E. coli - Bakterien mit Hilfe der Desinfektionseinheit CM-100 aus Testwasser Typ A (Trinkwassernetz-Glückstadt); kursiv gedruckt: Daten des Labors von Condias; N/ml = Zellen pro ml.

Tab. 2: Produktion von Bromat und Chlorat sowie Abtötung von E. coli - Bakterien mit Hilfe der Desinfektionseinheit CM-100 aus Testwasser Typ B (Trinkwassernetz-Itzehoe); kursiv gedruckt: Daten des Labors von Condias; N/ml = Zellen pro ml.

Tab. 3: Produktion von Bromat und Chlorat sowie Abtötung von E. coli - Bakterien mit Hilfe der Desinfektionseinheit CM-100 aus Testwasser Typ C (Trinkwassernetz-Itzehoe versetzt mit Huminstoffen aus Blumenerde); kursiv gedruckt: Daten des Labors von Condias; N/ml = Zellen pro ml.

Tests mit dem SET Aggregat wurden durchgeführt. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Versuchen wurde das Trinkwasser im Kreislauf gefahren, außerdem, mit im Wasser natürlich existierenden Keimen. In allen Versuchen wurden Parameter angelegt, die für den einmaligen Durchlauf getestet worden waren.
Der erste Versuch wurde dazu genutzt, festzustellen, wann die Grenzwerte von Chlorat und Bromat erreicht werden. Eine mikrobielle Abtötung der Wasserkeime konnte vor dem Erreichen des Chlorat-Grenzwertes festgestellt werden, Bromat verblieb unterhalb der Nachweisgrenze. In einem zweiten Ansatz wurde Wasser gewechselt, im Sinne des Verbrauchs einer Kleinfamilie, bei dem Wasser verbraucht und verkeimtes Wasser hinzukommt. Auch in diesem Test konnte zuerst eine komplette Abtötung der Umweltkeime festgestellt werden, erst nach weiteren Zyklen der Ozonisierung wurde der WHO-Grenzwert für Chlorat erreicht. Bromat lag auch in diesem Test unterhalb der Nachweisgrenze.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse werden bei der EEAOP-2 vom 09.-11.9.09 präsentiert.


Fazit

Das Projekt verlief sehr erfolgreich mit sehr guten Ergebnissen bezüglich der Desinfektionsleistung bei gleichzeitig geringer Konzentration an DNP. Die Konzentration der Desinfektionsnebenprodukte lag innerhalb der Grenzen der Trinkwasserverordnung, so dass das behandelte Trinkwasser als unbedenklich eingestuft werden kann. Die SPE-Technologie ist primär wie ein Ozongenerator zu verstehen.
Hydroxylradikale werden in Ozon abreagiert durch die Elektroden trennende Membran. Durch dieses Projekt konnte nachgewiesen werden, dass das reaktive Medium Ozon ist und nicht Hydroxylradikale sind. Das elektrolytisch erzeugte, im Wasser gelöste, Ozon konnte unter Verwendung neuer, verbesserter elektrolytischer Zellen die Desinfektionsleistung verbessern.

Mit dieser innovativen Technologie kann in einem realen Wasser, das beispielhaft bedeutet:
- ? 100mg/l Chlorid,
- ? 0,3 mg/l Bromid,
- ? 103 KbE/ml an Keimbelastung in einmaligen Durchfluss (100l/h) die Keime abgetötet werden, ohne Grenzwerte der Trinkwasserverordnung oder der WHO zu überschreiten.
Wird der TOC als summarischer Wert betrachtet, sollte dieser mit den maximalen oberen Ausgangswerten der oben genannten Ionen nach den jetzigen Untersuchungen nicht mehr als 5 mg/l betragen.

Durch die Fachkompetenzen der beiden Firmen und durch die kooperative Zusammenarbeit der Projektpartner CONDIAS und SET kann eine Fortführung des Vorhabens sichergestellt werden, so dass ein Aggregat mit solartechnischer Stromversorgung zur Aufbereitung von kontaminiertem Wässern zur Verfügung steht.

Ohne die finanzielle Beteiligung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt hätte dieses Vorhaben von den Partnerfirmen so nicht realisiert werden können.

Die Auflage des Projektträgers zur Einschaltung von externer Fachkompetenz wurde durch die Beratung von international anerkannten Experten Folge geleistet. Dem Projektkomitee gehörten an: Dr. Klaus-Michael Mangold, DECHEMA e.V., Georg Fottner und Michael Becker, beide ESAU & HUEBER GmbH, Dr. Karl Glas, CPW Competence Pool Weihenstephan am Forschungszentrum für Brau- und Lebensmittelqualität der TU München, und Dr. Wido Schmidt, DVGW Technologiezentrum Wasser Karlsruhe Außenstelle Dresden. Prof. H. Bergmann hat eine Beteiligung an dem projektbegleitenden Ausschuss mit der Begründung universitätsinterner Zwänge abgelehnt.