Aufbereitungstechnik im Wasserwerk Moos – Das Carix-Verfahren

Das Grundprinzip des Carix-Verfahrens hat sich seit seiner Erfindung am Forschungszentrum Karlsruhe nicht geändert: Ein mit Kohlendioxid regenerierbarer Ionenaustauscher enthärtet Trinkwasser. Die neueste Generation an Carix-Anlagen ist allerdings hinsichtlich Ausbeute und Energieverbrauch mit älteren Systemen nicht mehr vergleichbar. Das Wasserwerk Moos setzt mit dem aktuellen Carix-Verfahren Maß­stäbe in Sachen Wirtschaftlichkeit und Trinkwasserqualität.

Nach nur dreieinhalbjähriger Planungs- und Bauzeit ist jetzt das Wasserwerk Moos bei Deggendorf in Betrieb gegangen. 35 Millionen Euro hat der Zweckverband waldwasser – 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 seit über 50 Jahren bestes Trinkwasser.

Das neue waldwasser-Rechenzentrum ist die Basis der Technikmodule. Der Zugriff auf die Module erfolgt online über die Internetplattform des Betreibers. Durch den integrierten Ansatz der Module werden die wesentlichen Voraussetzungen zur Realisierung des überbetrieblichen Technischen Sicherheitsmanagements (TSM) des DVGW – Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. geschaffen. Die eigene Betriebssoftware ermöglicht den Mitgliedern, 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 und dann über eine definierte Schnittstelle an die zuständigen Überwachungs- und Aufsichtsbehörden übermittelt werden. Mit der waldwasser-Betriebssoftware lassen sich alle Wasserversorgungsdaten übersichtlich darstellen.

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 durch enthärtetes Trinkwasser im Privathaushalt (Wasch- und Reinigungsmittel, Wartungskosten, Lebensdauer von Maschinen und Energie) von 50 bis 70 Cent je Kubikmeter Trinkwasser. Dem gegenüber stehen durch 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-Verfahrens hat sich seit seiner Erfindung am Forschungszentrum Karlsruhe nicht geändert: Ein mit Kohlendioxid regenerierbarer Ionenaustauscher enthärtet Trinkwasser. Die neueste Generation an Carix-Anlagen ist allerdings mit älteren nicht mehr vergleichbar: Sowohl bei der Ausbeute als auch beim Energieverbrauch wurden die letzten Jahre erhebliche Fortschritte erzielt. Bei einer Enthärtung von 20 bis 25 °dH auf 8 bis 10 °dH liegt der Abwasseranfall bei vier bis acht Prozent und der Energieverbrauch ist mit 0,15 bis 0,25 Kilowattstunden pro Kubikmeter 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 energiesparende und bedarfsabhängige Gasförderung.

Das DVGW-Regelwerk zur Trinkwasserenthärtung

Das Regelwerk umfasst unter anderem die technischen Bestimmungen 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 allen 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 sogenannten Membranentsalzung (Nanofiltration, Umkehrosmose), gibt es noch kein gültiges 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 Gesundheitsamtes aufgrund von Verunreinigungen des Trinkwassers bei einer Umkehrosmose mit AMPA (Aminomethyl-Phosphonsäure, Hauptabbauprodukt von Glyphosat). Verantwortlich für diesen Befund sind Chemikalien (sogenannte Antiscalants), die bei jeder Umkehrosmose für den Zulaufstrom 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 Prozent zurück. Aufgrund des noch schlechteren Rückhaltes bei Nanofiltrationsmembranen sind diese nicht mehr zu empfehlen. Alle Membranen „altern“, das heißt die Passage von Stoffen in das Trinkwasser steigt im Laufe der Zeit. Ein DVGW-Forschungszentrum untersucht deshalb ebenfalls Möglichkeiten einer Überwachung der Membranintegrität. Es gibt derzeit keine Möglichkeit, eine Verschlechterung der Rückhaltung oder den Defekt einer Membran online zu detektieren.

Enteisenung und Entmanganung, Trübstoffabscheidung

Zunächst fließt das Brunnenwasser über zwei Veolia 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 Brunnenwasser vorhandene Partikel zurückgehalten.

Aktivkohlefilter und Uranex

Die zweite Aufbereitungsstufe dient der Entfernung gelöster organischer Stoffe, wie zum Beispiel Pflanzenschutzmitteln (PSM) und Biozidprodukten. Die adsorptive Störstoffentfernung erfolgt mittels einer granulierten Aktivkohle auf Kokosnussbasis (Berkosorb). Die Aktivkohlefilter dienen als reine Polizeistufe, das heißt, dass bisher alle nach der Trinkwasserverordnung zu untersuchenden Spurenstoffe unter der Nachweisgrenze liegen.

In der dritten Aufbereitungsstufe wird gelöstes Uran mittels eines uranselektiven Ionenaustauscherharzes entfernt. Das Uran ist wie in vielen Grundwässern in Deutschland geogen bedingt und somit 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).

Nach dem Prinzip des Ionenaustausches

In der vierten und 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 zum Beispiel Uran, Chrom VI, Vanadium und organischer Kohlenstoff (TOC).

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens liegt in der Regeneration. Anstelle der hierzu von konventionellen Ionentauschern eingesetzten Säuren, Laugen oder Kochsalzlösung wird als Regenerationsmittel Kohlenstoffdioxid (CO2) eingesetzt. Durch die Wahl dieses Mittels 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 Carix-Anlagen die Erlaubnis zur Direkteinleitung in Flüsse (Vorfluter). Das Regenerationsmittel CO2 wird zu 90 Prozent rückgewonnen und im Prozess wieder verwendet.

Aufbereitungsmengen und Wasserqualitäten

Das Wasserwerk Moos ist konzipiert für eine Trinkwasserabgabemenge von 200 bis 650 Kubikmeter pro Stunde mit einer Gesamthärte von 8 °dH und im Notbetriebsfall für maximal 850 Kubikmeter pro Stunde. Die abgegebene Trinkwassermenge liegt bei 3,8 Millionen Kubikmetern im Jahr. 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 Prozent 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 circa 80 Prozent reduziert. Die Carix-Anlage arbeitet im Bypassbetrieb, das heißt der Ablauf Carix (ca. 5 °dH) wird vollautomatisch über eine Leitfähigkeitsregelung mit Bypasswasser auf einen konstanten 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 vier 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 vom 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 und Vergleich mit der Umkehrosmose

Neben Carix ist die Umkehrosmose, genauer gesagt die Niederdruckumkehrosmose (LPRO), das derzeit einzige in Deutschland zugelassene Verfahren zur Teilentsalzung von Trinkwasser. Die genannten Carix-Betriebskosten sind die seit Oktober 2018 im Wasserwerksbetrieb angefallenen, tatsächlichen Kosten. Die LPRO ist konzipiert als fünfstraßige Anlage in zweistufiger Ausführung. In der ersten Stufe sind zehn Druckrohre, in der zweiten Stufe fünf Druckrohre mit jeweils sechs Membranmodulen (mit KTW Zulassung) installiert. Der mittlere Betriebsflux liegt bei 21 Litern (m2 x h). Für die Energiekosten kommen 28 Cent je Kilowattstunde als Zukunftswert zum Ansatz.

Die Betriebskosten der Carix-Anlage liegen pro Jahr 410.000 Euro 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, das heißt der Summe aus Betriebs- und Finanzierungskosten, liegt Carix mit 24 Cent je Kubikmeter Trinkwasser trotz höherer Investition 20 Prozent unter den Kosten der Umkehrosmose. Der Betreiber waldwasser spart somit jährlich 240.000 Euro.

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 Tonnen CO2 direkt in die Atmosphäre. Das zur Regeneration von Carix eingesetzte Kohlendioxid wird aus dem Abgas von industriellen Prozessen gewonnen, würde also ohne das Verfahren direkt in die Atmosphäre emittieren. Da Carix zur Regeneration mehr CO2 verbraucht (CO2-Tank), als es durch die bei der Beladung entstehende gestrippte CO2 (Strippung) in die Atmosphäre abgibt, wird die Umwelt jährlich um 70 Tonnen CO2 entlastet.

Sowohl für den Bau als auch den Betrieb eines Wasserwerkes kann man die gesamte CO2-Bilanz (Kohlenstoff-Fußabdruck) 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 Gramm je Kubikmeter Trinkwasser 52 Prozent unter dem Wert der Umkehrosmose. Dies bedeutet gegenüber der Umkehrosmose 630 Tonnen weniger CO2-Emission jedes Jahr. Verglichen mit dem für Pkw von der EU angestrebten Wert von 95 Gramm CO2 je Kilometer entspricht diese Einsparung durch Carix einem CO2-Ausstoß von umgerechnet 6,6 Millionen Pkw-Kilometern pro Jahr.

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Der Bund fördert Carix

Der Bund fördert Carix-Kunden über ein Sonderdarlehen der KfW Bank. Im Jahr 2017 bewilligte die KfW für den Bau von drei Carix-Anlagen Kredite in Höhe von insgesamt zwölf Millionen Euro. Neben einem sehr günstigen effektiven Jahreszins von 0,05 Prozent gibt es zusätzlich einen Tilgungszuschuss in Höhe von fünf Prozent auf die Darlehenssumme. Die Förderung ist Bestandteil des Programms zur Erreichung der Klimaschutzziele der Bundesregierung.

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www.veoliawatertechnologies.de, www.waldwasser.eu

Autoren: Uwe Sauer (Veolia Water Technologies) und Hermann Gruber (Waldwasser)

(EU-Recycling 07/2019, Seite 24-Advertorial)