Schwimmbadwasseraufbereitung

Notwendigkeit der Schwimmbadwasseraufbereitung

Verschiedene Schadstoffe gelangen über Schwimmer und die Umgebung in das Schwimmbad. Die Schadstoffe reichen von wasserbürtigen infektiösen Viren und Bakterien bis hin zu gelösten und ungelösten Stoffen (meist organisch). Dies führt dazu, dass eine effektive Wasseraufbereitung notwendig ist, um eine gesunde Schwimmbadumgebung zu gewährleisten.

Inhaltsverzeichnis

Ziel dieser Seite ist es, einen breiten Überblick über die Grundlagen der Schwimmbadwasseraufbereitung zu geben. Wie unten gezeigt wird, eröffnet Ozon neue Möglichkeiten, die die Leistung der Wasseraufbereitung deutlich erhöhen und den Betrieb erleichtern. 

  1. Chlorungsproblematik
  2. Bestehende Aufbereitungslösungen
  3. Chlorung
  4. UV-Behandlung
  5. Ozonierung
  6. Der Ozonierungsprozess
  7. PFD für die Ozonierung von Schwimmbadwasser
  8. Desinfektionsmittelübersicht und -vergleich
  9. Vergleich der Desinfektionsmitteleffizienz
  10. Desinfektionsmittel-Kostenvergleich
  11. Ozonetech Vorteile
  12. Prozessauslegung

Chlorungsproblematik

Um eine ausreichend hohe Wasserqualität zu erreichen, wurden verschiedene Methoden eingesetzt. Zu den gängigsten Methoden gehören Filtersiebe und Sandfiltration, chemische Behandlungen (z.B. zur Flockung und Wasserenthärtung) und Desinfektion mit Chlor/Ozon/UV. Je nach Schadstoffgehalt und gewünschter Wasserqualität werden unterschiedliche Technologien kombiniert. Die heute mit Abstand gebräuchlichste Desinfektionsmethode ist die Chlorung. Allerdings ist die Chlorung auch mit Komplikationen hinsichtlich der gesundheitlichen Auswirkungen bei Schwimmern verbunden. So veröffentlichte die Fachzeitschrift Environmental Science and Technology im Jahr 2014 einen Artikel, der zeigt, dass Harnsäure (und chemisch ähnliche Verbindungen aus Körperflüssigkeiten) und Chlor, Cyanchlorid (CNCl) und Trichloramin (NCl3) bilden. Diese beiden Verbindungen sind mit Schleimhautreizungen (Lian et al. 2014) (Chen et al. 2007) und Atemschäden (NIOSH, September 2015) verbunden, die Schwimmer daran hindern können, das Schwimmbad zu benutzen. Weitere bekannte Nebenprodukte der Chlorung sind Trihalogenmethane (THM), die Gesundheitsschäden verursachen. Durch den Einsatz anderer Desinfektionsmittel als Chlor können diese Effekte gemildert werden. Zum Beispiel ermöglicht die Ozonbehandlung den Einsatz von sehr geringen Mengen an Chlor, wodurch Wasserverbrauch, Energiebedarf und die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von Chlor-Nebenprodukten reduziert werden.

Nebenprodukte aus der Chlorung

Nebenprodukte aus der Chlorung: Harnsäure, Trichloramin & Cyanchlorid

Bestehende Aufbereitungslösungen

Eine Standardausführung für die Schwimmbadwasseraufbereitung basiert in der Regel auf den folgenden Behandlungsschritten: Filtration, Desinfektion, chemische Behandlung und Wasseraustausch. 

Die Filtration wird üblicherweise in zwei Stufen durchgeführt, wobei die erste Stufe größere Verschmutzungen wie Haare und die zweite Stufe kleine Partikel entfernt. 

Die  Desinfektion führt zur Deaktivierung von Mikroorganismen und zum chemischen Abbau von organischem Material. Dies wird üblicherweise durch Chlorung des Wasseraufbereitungsstroms erreicht, kann aber auch durch Ozonierung und UV-Behandlung erreicht werden. Diese verschiedenen Alternativen haben alle ihre Vor- und Nachteile.

Darüber hinaus wird die chemische Behandlung häufig zur Enthärtung des Wassers (d.h. zur Entfernung von Calcium- und Magnesiumionen) oder zur Flockung (d.h. zur Neutralisation von negativ geladenen Partikeln, wodurch sie größere Partikel bilden, die durch Filtration entfernt werden können). 

Chlorung

Sogenanntes "Chlor", in der umgangssprachlichen Form, umfasst eigentlich eine ganze Gruppe von Stoffen. Gängige Chlorverbindungen sind z.B. Chlorgas, Natriumhypochlorit (flüssig), Calciumhypochlorit (körnig), in situ Elektrolyse von NaCl-Lösung, Trichlorisocyanursäure (stabilisiertes Chlor) und Chlordioxid. Diese Chlorsubstanzen haben alle die Eigenschaft, freies Chlor in einer Wasserlösung zu bilden, die für die Wasserdesinfektion leicht zugänglich ist. Freie Chloride sind typischerweise Hypochlorit-Ionen (OCl-) und Hypochlorsäure (HOCl). 

Bei der Chlorung muss der Chlorgehalt ausgeglichen sein, um eine ausreichende Desinfektion zu ermöglichen und gleichzeitig die Unannehmlichkeiten für die Schwimmbadbenutzer zu minimieren. Zu den Hauptbeschwerden gehören Schleimhautreizungen. Laut WHO sollte der Gehalt an freiem Chlor in öffentlichen und halböffentlichen Schwimmbädern 3 mg/L nicht überschreiten. Der maximale Gehalt an gebundenem Chlor für alle Temperaturen bei einem pH von 7,2 - 7,6 sollte 0,4 mg/L nicht überschreiten. Alle chemischen Behandlungen auf Chlorbasis haben das gleiche Problem; sie alle führen zur Bildung von gebundenem Chlor, das die Ursache für die oben genannten Beschwerden ist. Daher muss bei der Anwendung von Chlorung regelmäßig frisches Nachspeisewasser zugegeben werden, um das System zu verdünnen und einen akzeptablen Gehalt an gebundenem Chlor aufrechtzuerhalten. Bei Verwendung von Trichlorisocyanursäure beträgt der von der WHO vorgeschlagene Höchstgehalt an Cyanursäure 100 mg/l. 

Chlorungsmittel

Chlorungsmittel: Chlorgas, hypochlorige Säure & Trichlorisocyanursäure 

UV-Behandlung

Eine weitere Technologie zur Aufbereitung von Schwimmbadwasser ist die ultraviolette Strahlung. Mit einer UV-Lampe wird Strahlung im UV-Spektrum erzeugt, die Mikroorganismen, Viren und Algen durch physikalische Zerstörung der DNA effizient inaktiviert. Es wird häufig als Ergänzung zur Chlorung eingesetzt, die dann eine Reduzierung des Chlorverbrauchs ermöglicht. Andererseits baut die UV-Strahlung auch einen Teil des Chlors ab, was sich zunehmend auf den Chlorbedarf auswirkt. 

Ozonierung

Ozon wird in-situ erzeugt, im Gegensatz zu herkömmlichen Chemikalien, die zur Desinfektion und Reinigung verwendet werden. Bei der Ozonierung wird natürlich vorkommender Sauerstoff verwendet, was den Einsatz von Chemikalien überflüssig macht. Ozon wird erzeugt, indem man eine hohe Spannung an einen dielektrischen Entladungsspalt (Koronaentladung) anlegt, der Sauerstoffatome ionisiert und Ozonmoleküle bildet. Ozon ist ein viel stärkeres Oxidationsmittel als Chlor und reagiert nach der Anwendung sofort mit Verunreinigungen und hinterlässt keine Nebenprodukte. 
Die wichtigsten Mechanismen der Ozondesinfektion sind: Zerstörung der Zellwände von Mikroorganismen, radikalische Oxidationsreaktionen, Abbau von Nukleinsäuren (DNA und RNA) und Brechen von Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen (die in den meisten organischen Verbindungen wie z.B. Proteinen essentiell sind). Zwei Hauptfaktoren beeinflussen die Wirksamkeit der Ozondesinfektion, nämlich die Kontaktzeit und die Ozonkonzentration. 

Ozonmolekül, Ozon, Molekül

Das Ozonmolekül

Der Ozonierungsprozess

Der Ozonierungsprozess selbst umfasst fünf Hauptschritte, nämlich die Aufbereitung des eingespeisten Gases, die Ozonerzeugung, die Kontaktierung, die Ozonreaktion und die Ozonzerstörung:

PFD Ozonierung

Übersicht Ozonierungsprozess

Das Gas wird dem Ozongenerator entweder in Form von gereinigtem Sauerstoff oder atmosphärischer Luft zugeführt. Gereinigter Sauerstoff kann an das Schwimmbad geliefert werden, wird aber vorzugsweise auch vor Ort aus atmosphärischer Luft mit einer Gastrennungsanlage erzeugt, die eine Sauerstoffzufuhr von 93 % bereitstellt.

Durch die Verwendung einer hochreinen Sauerstoffzufuhr in Kombination mit einem effektiven Kühlsystem bietet Ozonetech ein sehr kompaktes Ozonerzeugungsdesign. Ozonetech liefert Anlagen mit Produktionskapazitäten von 5-5000 Gramm O3/Stunde.

Das Ozongas wird mittels Venturi-Injektion effektiv in den Schwimmbadwasserstrom eingebracht. Auf diese Weise wird so viel Ozon wie möglich in das Wasser zur anschließenden Desinfektion im Reaktionsbehälter übertragen, wie im untenstehenden Prozessflussdiagramm dargestellt.

Das gelöste Ozon wird gleichmäßig im Ozonreaktionsbehälter verteilt. Hier findet die Desinfektion statt. Es ist wichtig, genügend Kontaktzeit zur Verfügung zu stellen, um effiziente Desinfektionsergebnisse zu erzielen. Um den Desinfektionsprozess zu optimieren, müssen drei Schlüsselparameter kontrolliert werden: Ozonkonzentration, Kontakt und Reaktionszeit. Der letzte Schritt im Ozonierungsprozess ist die Ozonzerstörung des Abgases, um ein gesundes Arbeitsumfeld für die Betreiber zu gewährleisten.

PFD für die Ozonierung von Schwimmbadwasser

PFD für die Ozonierung von Schwimmbadwasser

Prozessflussdiagramm für die Ozonierung von Schwimmbadwasser

 

Desinfektionsmittelübersicht und –vergleich

Um einen Überblick über die gängigsten Aufbereitungsmöglichkeiten zu geben, wurden die Vorteile und Herausforderungen der Ozonbehandlung, der UV-Behandlung und der Chlorierung in der folgenden Tabelle verglichen:

Vorteile und Herausforderungen von drei typischen Desinfektionsmitteln

  Vorteile Herausforderungen
Chlorung
  • Relativ geringe Installationskosten
  • Relativ wirksames Desinfektionsmittel
  • Desinfektion mit Langzeitwirkung
  • Führt zur Bildung ungesunder Verbindungen
  • Hoher Wasser- und Energieverbrauch
  • Emissionen von chlorierten Verbindungen
  • Erfordert kontinuierliche Zugabe und Handhabung von toxischen Chemikalien
  • Korrosive Effekte
UV-Behandlung
  • Relativ geringe Installationskosten
  • Keine Chemikalienbedarf
  • Keine Desinfektion mit Langzeitwirkung
  • Kein direktes Oxidationspotential
  • Komplikationen bei der Dosierung
  • Fouling-Probleme 
  • Trübungsaufbau
Ozonbehandlung
  • Sehr wirksames Desinfektionsmittel
  • Niedrige Betriebskosten
  • Umweltfreundlich
  • Reduziert die erforderliche Chlorungsmenge erheblich
  • Biozide Wirksamkeit unabhängig vom pH-Wert
  • Keine schädlichen Restnebenprodukte
  • Erhöht die Effektivität des Sandfilters
  • Reduziert den Wasserverbrauch
  • Höhere Installationskosten
  • Keine Desinfektion mit Langzeitwirkung

 

Vergleich der Desinfektionsmitteleffizienz

Basierend auf den von der EPA zur Verfügung gestellten CT-Werten für die Virendesinfektion wird ein grafischer Vergleich zwischen Chlor, Chloramin, Chlordioxid und Ozon durchgeführt. Ein niedriger CT-Wert stellt ein wirksames Desinfektionsmittel dar.

CT-Wert-Vergleich für die wichtigsten chemischen Desinfektionsmittel

CT-Wert-Vergleich für die wichtigsten chemischen Desinfektionsmittel

Aufgrund des hohen CT-Wertes von Chloramin wird im Folgenden eine zusätzliche Abbildung dargestellt, die den Zusammenhang zwischen nur Ozon, Chlordioxid und Chlor zeigt.

CT-Wert-Vergleich für die wichtigsten chemischen Desinfektionsmittel (außer Chloramin)

CT-Wert-Vergleich für die wichtigsten chemischen Desinfektionsmittel (außer Chloramin)

Die Grafiken zeigen deutlich die geringen Ozonmengen, die für die Desinfektion benötigt werden, welches Ozon klar als effektivstes kommerzielles Desinfektionsmittel identifiziert.

Desinfektionsmittel-Kostenvergleich

Ein geschätzter Kostenvergleich zwischen der Hypochloritbehandlung und der Ozonierung ist unten dargestellt, basierend auf einem 25 × 25 m großen Schwimmbad, das an 350 Tagen im Jahr betrieben wird. Der Vergleich beinhaltet die Kosten der Hypochlorit-Chemiekalien für die Chlorierung und die Stromverbrauchskosten für einen Ozongenerator in Verbindung mit einem Sauerstoffkonzentrator.

Kostenvergleich Hypochlorit vs. Ozon

Kostenvergleich Chlorung vs. Ozonierung

Ozonetech Vorteile

Ozonetech bietet erstklassige hochmoderne Technologie mit hoher Zuverlässigkeit und Effizienz, niedrigem Energieverbrauch und niedrigen Wartungskosten. Weitere Vorteile von Ozonetech sind:

  • Lange Lebensdauer des Ozongenerators. Dies ist zum Teil auf das effektive Kühlsystem und die Tatsache zurückzuführen, dass konzentrierter, filtrierter und getrockneter Sauerstoff dem Generator zugeführt wird.
  • Ozonetech bietet schlüsselfertige Anlagen, die einen zuverlässigen Prozessbetrieb gewährleisten.
  • Kompakte Bauweise und die Möglichkeit zur Erhöhung der Desinfektionsleistung durch modularen Generatoraufbau.
  • Hohe Ozonkonzentration, dadurch maximale Wirksamkeit der Behandlung

Prozessauslegung

Die in den folgenden Abschnitten dargestellten Gleichungen können zur Abschätzung der Kapazitätsanforderungen für ein potenzielles Ozonierungsverfahren für die Aufbereitung von Schwimmbadwasser verwendet werden. 

Behandlungskapazität

Für die Bestimmung des der Kapazitätsanforderungen der Wasseraufbereitungsanlage sind die wichtigsten Faktoren: Schwimmbadgröße, Badelast, Beckentyp und Beckentemperatur. Zur Berechnung der Durchflussmenge/Leistung des Aufbereitungssystems kann die folgende Gleichung verwendet werden:

Wasseraufbereitungskapazität

Wasseraufbereitungskapazität

T ist die Zeit, die benötigt wird, um das gesamte Schwimmbadvolumen in der Wasseraufbereitungsanlage umzuwälzen. Ein Wert von d/T = 0,55 stellt einen "worst case"-Wert dar und wird als weitere Referenz verwendet. Außerdem wird ein f-Wert von 0,8 verwendet, da er für olympische Schwimmbäder üblich ist.
Die Ozonierung wird auf einen Bypassstrom angewendet, der in der Regel im Bereich von 25 % des Hauptwasseraufbereitungsstroms liegt. Daraus ergibt sich der folgende Ausdruck für den Durchfluss durch das Ozonierungssystem, "Q(byflow)", der eine Ozonung erfordert:

Wasserdurchfluss für die Ozonbehandlung

Wasserdurchfluss für die Ozonbehandlung

Für 28 ⁰C oder 33-35 ⁰C benötigt das Wasser eine Ozonierung von 0,8 bzw. 1,2 mg/l. Die Kontaktiereinrichtung ermöglicht eine Auflösungseffizienz des erzeugten Ozons von ca. 90 %. Als zusätzliche Marge kann jedoch eine Auflösungseffizienz von 0,8 verwendet werden. Außerdem nimmt die Kapazität des Ozongenerators mit der Zeit ab. Somit kann eine Kapazitätsabnahme von 10 % genutzt werden (um konservativ zu sein). Zur Abschätzung der erforderlichen Ozonproduktion, "Q(O3)", des Generators kann die folgende Formel verwendet werden:

Ozonbedarf

Ozonbedarf 

Reaktionsbehälter

Zur Abschätzung der Größe des Reaktionsbehälters sollte eine Mindestreaktionszeit von 2,5 Minuten bei einer Ozonkonzentration von 1 mg O3/L verwendet werden. Dies entspricht einem CT-Wert von 2,5 (mg - min/L), der definitiv sicher und ausreichend für Schwimmbadwasser ist. Beispielsweise erfordert ein Nebenstrom (zur Ozonanlage) von 60 m3/h ein Reaktionsbehältervolumen von 2,5 m3.  

Ozone tech