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Nach dem Vorbild der Natur

 

Wasser wird auf vielfältige Weise genutzt: Wir brauchen es als Lebensmittel, verwenden es für Hygiene und Badespaß, für Transport und Bewässerung sowie als Prozesswasser in nahezu jeder Art von industrieller Produktion. Aus dieser Vielfalt ergeben sich ganz unterschiedliche Anforderungen an die Wasserqualität – und damit auch an die Wasseraufbereitung. Gase helfen mit, einwandfreies Trinkwasser zu gewinnen, optimales Prozesswasser bereitzustellen sowie selbst stark verschmutztes Abwasser gründlich zu reinigen.

Gase werden schon seit mehr als hundert Jahren in der großtechnischen Wasseraufbereitung genutzt. Das älteste Beispiel dafür ist die Desinfektion von Trinkwasser mit Chlorgas. Moderne Aufbereitungsverfahren vermeiden heute weitgehend den Gebrauch von giftigen oder korrosiven Chemikalien. Vermehrt kommen aber zwei Gase zum Einsatz, die auch zum natürlichen Wasserkreislauf gehören: Sauerstoff und Kohlendioxid.

Sauerstoff wird entweder für Oxidationsprozesse genutzt, oder es dient in biologischen Prozessen als Lebenselixier für nützliche Mikroorganismen und Wassertiere. Das vielseitige Kohlendioxid erfüllt so unterschiedliche Aufgaben wie die Einstellung des pH-Werts im Wasser, die Aufhärtung von zu weichem Trinkwasser oder das Ausfällen von löslichen Bestandteilen aus Prozess- und Abwasser. Zudem wird es für die Reinigung von Membranen und zur Entsalzung eingesetzt.

Mehr Wirkung mit reinem Sauerstoff

Für Oxidationsprozesse und die Sauerstoffversorgung nützlicher Mikroorganismen kann grundsätzlich auch Luft eingesetzt werden. Doch mit ihrem hohen Stickstoffanteil stößt die Wirkung einfacher Luft in vielen Anwendungen schnell an Grenzen. Reiner Sauerstoff dagegen beschleunigt die Abläufe und steigert die Effizienz. Zum Beispiel wird Sauerstoff bei der Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasser für die Entfernung von gelöstem Eisen und Mangan benötigt. Unbehandelt würden diese Metalle das Wasser rostbraun färben und sich in den Leitungen ablagern. Mit dem Sauerstoff reagieren sie zu unlöslichen Oxiden, die in Sandfiltern leicht abgetrennt werden können. Wenn das Grundwasser zudem Ammonium enthält, steigt der Sauerstoffbedarf für die Trinkwasseraufbereitung stark an. Ab einem Gehalt von etwa 2,5 Milligramm pro Liter wird eine vollständige Oxidation des Ammoniums nur mit Reinsauerstoff erreicht.

In der biologischen Klärung übernehmen Mikroorganismen die Reinigungsarbeit. Sie brauchen Sauerstoff zum Leben und um die Schmutzstoffe im Abwasser abbauen zu können. Auch hier kann man bestehende, überlastete Anlagen mit Reinsauerstoff viel effizienter machen: Beim selben Volumen des Klärbeckens steigt dessen Leistung erheblich, auf den Bau zusätzlicher Becken kann verzichtet werden.

Kleinere Mengen von hochkonzentrierten Industrieabwässern und -schlämmen werden vor der biologischen Reinigung durch Nassoxidation unter hohem Druck vorbehandelt: Bei 3 bis 220 bar und 120 bis 320 Grad Celsius werden unerwünschte Inhaltstoffe weitgehend oxidiert.

Ozon-Turbo

Wenn die Mikroorganismen bestimmte Schmutzstoffe nicht abbauen können, kommt Ozon (O3) zum Einsatz. Das aus drei Atomen bestehende Molekül des Sauerstoffs ist noch wesentlich reaktionsfreudiger als das zweiatomige. Die Turbo-Variante ist allerdings instabil und muss am Ort des Einsatzes aus O2 hergestellt werden. „Wir beraten unsere Kunden über die Herstellung und bieten auch Versuche an“, sagt Dr. Monica Hermans, Wasserexpertin bei Messer.

Ozon ist auch deutlich reaktionsfreudiger als Chlor und anders als dieses sehr umweltfreundlich. Es hinterlässt nur Sauerstoff und harmlose Oxide, und es bildet keine unerwünschten, chlorierten Nebenprodukte. Ozon ist etwa im Spiel, wenn Farben und andere hartnäckige Chemikalien aus Industrieabwässern entfernt werden sollen. Es beseitigt Rückstände von Arzneimitteln und Pestiziden aus kommunalem Abwasser sowie organische Stoffe wie Huminsäuren und Pestizidspuren aus Trinkwasser.

CO2: Damit die Chemie stimmt

Nutzwasser sollte weder korrosiv wirken noch Kesselstein bilden. Dazu muss der pH-Wert – also die Konzentration der Wasserstoff-Ionen in der Flüssigkeit – möglichst genau mit dem Kalziumgehalt und dem natürlichen Gehalt an gelöster Kohlensäure ausbalanciert sein. Ist der pH-Wert zu niedrig, wird das Wasser aggressiv. Bei Kontakt mit Stein oder Beton löst es Kalk aus diesen Stoffen heraus, Leitungen aus Stahl oder Kupfer werden in ihrer Substanz angegriffen und korrodieren. Ist der pH-Wert hingegen zu hoch, fällt der Kalk als Kesselstein aus. Es bilden sich die gefürchteten Ablagerungen, die Rohre und Ventile mit der Zeit völlig verstopfen. Häufig muss der pH-Wert des Wassers gezielt gesenkt werden, um das zu verhindern.

„Kohlendioxid ist dafür mit Abstand am besten geeignet“, erläutert Dr. Hermans. „Im Wasser löst es sich zu einer schwachen Säure, die auch in der Natur vorkommt und das Wasser nicht aufsalzt, wie es Mineralsäuren tun. Eine Übersäuerung ist nicht möglich. Der pH-Wert lässt sich äußerst präzise einstellen. Zugleich ist die Handhabung sehr einfach und erfordert keine Investition in die Lagerung aggressiver Mineralsäuren.“ Diese Vorteile gelten auch in der Abwasseraufbereitung. Dort ermöglicht CO2 eine besonders umweltfreundliche Neutralisation von stark alkalischen Abwässern.

Kalkkontrolle in der Praxis

In den Anlagen der Wasserwerke von Maribor, Slowenien, wurden vor einiger Zeit Kalkablagerungen entdeckt. Nach genauer Analyse des Wassers an verschiedenen Stellen beschloss man, kontinuierlich reines CO2 in einer der Pumpstationen einzuleiten. Damit konnte der pHWert im gesamten Rohrsystem gut mit dem Kalziumgehalt ausbalanciert werden.

In Schwimmbädern steigt der pH-Wert des Wassers unter anderem überall dort an, wo Wasser mit Luft verwirbelt wird, so etwa in Duschen, Whirlpools oder Wassertreppen. Der spanische Schwimmsportclub Atletic-Barceloneta gleicht diese ständige Verschiebung durch die Zugabe von CO2 aus. Das Gas ist hautverträglich, geruchsfrei und in jeder Hinsicht unbedenklich für den Badebetrieb.

Das spanische Chemieunternehmen Quimica del Cinca in Monzon gewinnt Chlor aus Kochsalzlösung. Das verbrauchte Salz wird immer ergänzt, dabei reichern sich in diesem Prozesswasser Elemente wie Barium und Kalzium an, die es wieder zu entfernen gilt. Bei der Zugabe von CO2 bilden diese Elemente Karbonate, die sich leicht herausfiltern lassen. Die Alternative wäre die Zugabe von Soda – mit erheblichen Nachteilen, wie Dr. Hermans erläutert: „Soda ist ein Pulver. Es zu dosieren und zu lösen, erfordert wesentlich mehr maschinellen Aufwand und erhebliche Investitionen in die Automatisierungstechnik. Außerdem staubt es stark. Kohlendioxid dagegen ist bei deutlich geringeren Investitionen viel bequemer in der Handhabung. Das Gas und die erforderliche Anlagentechnik bekommt der Kunde – wie bei allen Anwendungen – von Messer aus einer Hand.“

Autor: Redaktion