Zur Filtrationsgeschwindigkeit in Solekreisläufen

Die für die Beckenwasseraufbereitung geltende Normenreihe DIN 19 643 ff. sieht für Meer- und Solewasser mit einem Salzgehalt von mehr als 2000 mg/l (0,2 %) eine Filtrationsgeschwindigkeit von 20 m/h statt der sonst üblichen 30 m/h vor. Je niedriger jedoch die Filtrations­geschwindigkeit, desto größer die notwendige Filterfläche, Menge an Filtermaterial und desto größer die Anlage. Eine Absenkung der Geschwindigkeit um ein Drittel erfordert bei gleicher Umwälzleistung um 50 % größere Filter. Und das bedeutet höheren Platzbedarf, höheren Investitionsaufwand und höhere Folgekosten durch einen deutlich höheren Spülwasser- und Energieverbrauch. Für den Badinvestor und -betreiber hat die Filtrationsgeschwindigkeit erhebliche bauliche und wirtschaftliche Folgen. Trotz der zahlreichen Hinweise aus der Praxis, die in den letzten Jahren immer wieder Bedenken an den Vorgaben zur Filtergeschwindigkeit in der DIN-Norm zu rechtfertigen schienen, fehlte bisher eine systematische Beschäftigung mit dem Thema.

Die Vorgaben aus DIN 19 643 ff. an die Filtergeschwindigkeit für Meer- und Solewasser basiert offenbar auf Vergleichsmessungen aus einem nicht mehr auffindbaren Gutachten aus den 1960er Jahren. Seither stehen verlässliche Untersuchungen zum Zusammenhang von Filtra­tions­geschwindigkeit, der Anwesenheit von Salz im Badewasser und der Hygiene aus. Stattdessen gibt es seit vielen Jahren zahlreiche Hinweise aus der Praxis, dass es diese Nachteile einer gegenüber der DIN-Vorgabe erhöhten Filtrationsgeschwindigkeit bei Solewasser bei ansonsten DIN-konformer Auslegung i. d. R. nicht gibt. Berücksichtigt man außerdem die Tatsache, dass andere Länder keine so langsame Filtrationsgeschwindigkeit für Salzwasser vorsehen (z. B. Österreich: 28 m/h [1]), gibt es genug Gründe, die Norm mit modernen technischen Mitteln endlich einer wissenschaftlich begleiteten Prüfung zu unterziehen.

Eine wissenschaftlich begleitete Prüfung

Die agn Niederberghaus & Partner GmbH und das Büro IWT (Ing.-Büro für Wassertechnik) vertreten schon lange die Auffassung, dass die für Süßwasser geltende Norm von 30 m/h auch für 3 %-ige Sole vollkommen ausreicht. Ausgeführte Anlagen, die nicht der Vorgabe einer Filtrationsgeschwindigkeit von 20 m/h folgten, verhielten sich in der Praxis nicht anders als Anlagen mit 30 m/h. Ein klarer Zusammenhang zwischen Filtrationsgeschwindigkeit, Salzgehalt und umfassender Wasserqualität konnte nicht festgestellt werden, zumindest nicht in einer für das Ergebnis relevanten Größenordnung. Systematische Untersuchungen dieses Phänomens scheiterten bisher jedoch an einer Randbedingung: Es fehlte einfach ein ausreichend belastetes Solebecken.

Bei den nun durchgeführten Untersuchungen kam der Zufall zu Hilfe: In einem gut besuchten Bad (Thermalsolebad der Fachklinik Bad Bentheim) sollte ein Außenbecken mit 3 %iger Sole durch einen Neubau ersetzt werden (Bild 1). So wurde es möglich, den Altbau in seinen letzten Betriebswochen sowie anschließend auch das größere Neubaubecken zu Forschungszwecken zu nutzen und die verschiedenen Varianten am „lebenden Modell“ zu testen.

Messmethoden

Dafür wurde mit der Partikelzählung erstmals überhaupt eine analytische Methode aus der Mechanischen Verfahrenstechnik auf die Untersuchung von Badewasser übertragen. Mit Hilfe der Partikelzählung, die Einzelpartikel in Flüssigkeiten per Laserstrahl detektiert, können nun auch Teilchen im µm-Bereich größenabhängig erfasst werden. Für die hier vorgesehenen Untersuchungen ist die Trübungsmessung nicht aussagekräftig genug. Die Partikelzählung dagegen differenziert eine Partikelanzahlkonzentration nach der Partikelgröße und lässt damit detaillierte Rückschlüsse auf das Verfahren zu (Bild 2).

Voruntersuchungen

Vor rund einem Jahr untersuchten agn und IWT im Rahmen einer Diplomarbeit [2] mit Hilfe der Partikelzählung die Zusammenhänge zwischen Flockungsfiltration und Filtrationsgeschwindigkeit in Solewasser. Die Ergebnisse im Oktober 2006 waren derart gut, dass man Bauherren unter dem Vorbehalt weiterer Untersuchungen bereits die Empfehlung geben konnte, Solebecken mit 30 m/h Filtrationsgeschwindigkeit statt mit 20 m/h zu betreiben.

Als Partner für die weitere wissenschaftliche Unterstützung konnte das Mühlheimer IWW gewonnen werden. Ausschlaggebend waren die umfangreichen Erfahrungen dieses Wasserforschungsinstituts im Bereich der Badewassertechnik, aber vor allem die spezialisierten Kompetenzen im Bereich der Partikelzählung als verfahrenstechnisches Kontrollinstrument inkl. eines akkreditierten Labors.

Die Untersuchungen im Bentheimer Sole-Außenbecken, das sich aufgrund der kontinuierlich sehr hohen, in großen Teilen sogar deutlich über der DIN-Nennbelastung liegenden Besucherzahlen besonders gut eignet, dauerten von April bis Oktober 2007. Dabei wurden verschiedene Variationen, Filtrationsgeschwindigkeiten und Beckengrößen analysiert.

Projektstufen und Ergebnisse

Das Gesamtprojekt wurde unter Variation von Verfahrensparametern und Aufbereitungsschritten in mehreren Projektstufen ausgeführt:

Stufe 1: Erfassung Ist-Situation mit 20 m/h Filtrationsgeschwindigkeit (7. Mai bis 18. Juni 2007)

Merkmale: Zwei parallel betriebene Filter mit 180 m³/h Umwälzvolumenstrom und 20 m/h Filtrationsgeschwindigkeit, Aktivkohlefilter im Teilstrom mit ca. 60 m³/h

Ergebnis: Die Partikelkonzentration lag mit Werten um 400 Partikel/ml, in Spitzen sogar bis 1000 Partikel/ml (≥ 1 µm), deutlich höher als in den Vorversuchen. Eine konkrete Begründung liegt hierfür nicht vor. Die Spitzen der Partikelanzahlkonzentration im Rohwasser wurden gut eliminiert. Auch die Ergebnisse der wasserchemischen Untersuchungen fielen etwas schlechter aus als während der Voruntersuchungen und der nachfolgenden Projektstufen.

Stufe 2: Erhöhung Filtrationsgeschwindigkeit unter Abschaltung von Filter 1 auf 30 m/h (18. Juni bis 11. Juli 2007)

Merkmale: Ein Filter in Betrieb, 140 m³/h Umwälzvolumenstrom, 30 m/h Filtrationsgeschwindigkeit, Aktivkohlefilter im Teilstrom mit ca. 60 m³/h, pH-Sollwert auf 7,0 gesenkt, Flockungsmittel gewechselt

Ergebnis: Die Kurven für die Partikelkonzentration im Rohwasser und im Filtrat verliefen nach der Umstellung der Filtergeschwindigkeit sehr parallel. Das sehr hohe Niveau der Partikelkonzentration bis zum 27. Juni war auf einen Ausfall der Flockungsmitteldosierung zurückzuführen. Danach wurden Partikelkonzentrationen erreicht, wie sie auch bei der geringen Filtergeschwindigkeit vorlagen. Nahezu alle übrigen Parameter veränderten sich durch die Umstellung entweder kaum oder verbesserten sich. Auch ein ggf. durch die Flockungsmitteldosierung verursachter Anstieg des Aluminiumgehalts im Becken blieb aus.

Stufe 3: Außerbetriebnahme Aktivkohlefilter; Abschaltung der Adsorptionsstufe (11. Juli bis 27. Juli 2007)

Merkmale: Ein Filter in Betrieb, 140 m³/h Umwälzvolumenstrom, 30 m/h Filtrationsgeschwindigkeit, Aktivkohlefilter außer Betrieb, pH-Sollwert 7,0

Ergebnis: In dieser Phase sanken die Partikelzahlen kontinuierlich bis auf Werte um 50 Partikel/ml (≥ 1 µm) ab, ohne dass weitere Parameter verändert wurden. Spitzen der Rohwasserbelastung wirkten sich nur noch sehr schwach auf die Filtratqualität aus. Die Tatsache, dass die Einarbeitung dieser Prozesse mehrere Wochen dauerte, bestätigt die Erfahrung, dass Umstellungen am Filter oder an der Flockung sich erst sehr langsam auf das Filtrationsergebnis auswirken. Die Stabilisierung der Partikelanzahlkonzentrationen im Filtrat nach einer Veränderung an der Verfahrenstechnik dauert relativ lange; deshalb ist es notwendig, nach jeder Veränderung einen gewissen Zeitraum abzuwarten, bis man die erzielten Ergebnisse beurteilen kann. Die niedrigen Partikelzahlen bei 30 m/h wurden unter Wechsel des Flockungsmittels in der ursprünglichen Dosierung erreicht (pulverförmiges Polyaluminiumhydroxidchlorid).

Stufe 4: Inbetriebnahme Pulveraktivkohledosierung (27. Juli bis 5. August 2007)

Merkmale: ein Filter in Betrieb, 140 m³/h Umwälzvolumenstrom, 30 m/h Filtrationsgeschwindigkeit, Aktivkohlefilter außer Betrieb, Pulveraktivkohleanlage in Betrieb, pH-Sollwert 7,0, Personenzählung, ab 13. August 2007 Schließung des alten Beckens

Ergebnis: Nach der Inbetriebnahme der Pulveraktivkohledosieranlage (Adsorption gemäß DIN 19 643-2) stiegen die Partikelzahlen stark an. Dies ist auf die feinsten Partikelanteile der Pulveraktivkohle zurückzuführen, die im Größenbereich um 1 µm liegen, ein für die Tiefenfiltration sehr kritischer, d. h. schlecht abzuscheidender Größen­bereich. Deshalb wurde der Versuch nach etwa einer Woche abgebrochen und die Pulveraktivkohledosierung eingestellt, wodurch die Partikelanzahlkonzentration wieder auf ein Niveau um 30 Partikel/ml (≥ 1 µm) und darunter absank. In dieser Phase wurden Aussagen zu den Zusammenhängen zwischen Besucher- und Partikelzahl sowie Wasserparameter ermittelt.

Der Personenwechsel betrug bis zu 200 Personen je Stunde (Bild 3), was deutlich über der Nennbelastung liegt. Die zeitgleich gemessene Partikelkonzentration im Filtrat folgte der Beckenbelastung jedoch nicht: Die Werte blieben verlässlich klein, Spitzen in der Rohwasserbelastung schlugen nicht in das Filtrat durch. Kennzeichnend für einen guten Filter und einen optimal eingestellten Prozess ist, dass der Filter die schwankende Belastung des Rohwassers abfängt und so die Beckenwasserqualität stabilisiert. Bei sehr niedrigen Belastungen kann hingegen ein Sandfilter unter stetigem Flockungsmittelzusatz Partikelzahlen von unter 10 bis 20 Partikel/ml im Filtrat nicht unterschreiten.

Stufe 5: Inbetriebnahme neues Becken (27. August 2007 bis Anfang November 2007)

Merkmale: Zwei Filter in Betrieb, jetzt aber 270 m³/h Umwälzvolumen, 30 m/h Filtrationsgeschwindigkeit, Aktivkohlefilter außer Betrieb, pH Sollwert 7,0, Personenzählung

Ergebnis: Da sich, wie zu erwarten, die absoluten Besucherzahlen durch das attraktive neue Becken nicht verändert hatten, wurde mit dem neuen Becken eine Nennbelastung wie beim alten Becken nicht mehr erreicht. Die Partikelanzahlkonzentration lag auf demselben Niveau wie beim Betrieb des alten Beckens mit 20 m/h in der Projektstufe 4.

Stufe 6: Neues Außenbecken mit neuer Adsorptionsstufe (ab Anfang November 2007)

Merkmale: Zwei Filter in Betrieb, 270 m³/h Umwälzvolumenstrom, 30 m/h Filtrationsgeschwindigkeit, Adsorptionsfilter im Bypass in Betrieb mit frischer körniger Aktivkohle, pH Sollwert 7,0.

Ergebnis: Durch das Zuschalten des Aktivkohlefilters änderten sich die Partikelzahlen nicht. Sie lagen im Bereich von 20 Partikel/ml (≥ 1 µm). Die Anlage arbeitete sich mit zunehmender Laufzeit immer besser ein. Die Konzentration an Trihalogenmethanen (THM) sank erwartungsgemäß auf Werte unter 4 µg/l (Summe berechnet als Chloroform).

Mikrobiologische und chemische Befunde

Neben der Onlinemesstechnik wurden dem Becken und seinem Kreislauf während der gesamten Projektlaufzeit wöchentlich Proben für die Laboranalytik im IWW entnommen (Tabelle 3), und zwar üblicherweise in der Mitte des Vormittags, d. h. zu einer Tageszeit mit maximaler Personenfrequenz und Beckenbelastung.

Bakteriologie

Koloniezahlen (Kolonie bildende Einheiten, KBE) bei 20 °C und 36 °C im Beckenwasser wurden nur bei drei von 13 Proben positive Befunde von bis 2 KBE/ml ermittelt. Die geringen Werte machen eine Zuordnung zur entsprechenden Projektstufe überflüssig. Das Becken zeigte sich somit hinsichtlich aller untersuchten bakteriologi­schen Parameter unbelastet.

Filter 1 wurde in der Projektphase mit dem alten Becken und der hohen Filterge­schwindigkeit außer Betrieb genommen und erst wieder nach der Umstellung auf das neue Becken eingebunden, wobei alle Koloniezahlen unter der Nachweisgrenze lagen. Nach der Umstellung der Becken wurden nur noch zwei Befunde für die Koloniezahlen bei 36 °C ermittelt (3 und 1 KBE/ml).

Im Filtrat des By-pass-Aktivkohlefilters wurden nur vereinzelt einstellige Koloniezahlen ermittelt (drei Proben von insgesamt zehn positiv). Das Reinwasser wies mit sporadischen Koloniezahlen von bis zu 6 KBE/ml für 36 °C und mit einem Einzelwert von 2/ml für 20 °C Werte deutlich unterhalb der Grenze von 20/ml gemäß DIN 19 643 auf. Hinsichtlich der bakteriologischen Befunde kann festgestellt werden, dass DIN 19 643 in nur zwei der insgesamt 247 bakteriologischen Wasseranalysen nicht eingehalten wurde (Einzelbefunde an P. aruginosa im Filtrat von Filter 2 nach Stillstandsphase und an Koloniezahlen bei 36 °C von 168 KBE/ml im Reinwasser). Diese Befunde beziehen sich ausschließlich auf den Untersuchungszeitraum mit Bauarbeiten zur Errichtung des neuen Außenbeckens.

Wasserchemie

Bei den Ergebnissen zu den wasserchemischen Untersuchungen ist anzumerken, dass bei dem vorliegenden Prozess die Entfernung der THM, bei denen es sich hier durch den Einfluss der Sole nahezu vollständig um Bromoform handelt, und des gebundenen Chlor mittels Aktivkohlefilter im Bypass vorgenommen wird. Da die Aktivkohle jedoch relativ alt war, erstaunte es nicht, dass die als Chloroform berechneten THM im Beckenwasser vor dem Beckenumbau Werte von bis zu 53 µg/l aufwiesen. Nach Umbindung der Verfahrenstechnik auf das neue Becken wurde der Aktivkohlefilter in Projektstufe 6 neu befüllt und die Messwerte sanken nach und nach auf Werte unter 4 µg/l.

Die Erhöhung der Nitratkonzentration im Becken gegenüber der Füllwasserkonzentration (Füllwasserkonzentration 17,8 mg/l Nitrat) wies anfänglich einen Spitzenwert von bis zu 23,5 mg/l auf, verlief danach aber sehr konstant in einem Bereich zwischen 5,1 bis 9,3 mg/l, so dass der Grenzwert nach DIN 19 643 von 20 mg/l eingehalten wurde. Die Säurekapazität (K_S-4,3) des Beckenwassers lag sehr stabil in der Nähe des Grenzwertes für die Flockung von 0,7 mmol/l. Die Konzentration des Gesamtphosphats erreichte Maximalwerte von bis zu 1,4 mg/l.

Die als O₂-Verbrauch berechnete Oxidierbarkeit des Füllwassers wies im Mittel 4 mg O₂/l auf. Nach dem Anstieg der Oxidierbarkeit des Beckenwassers Ende November pendelten sich dessen Werte auf 2 mg/l ein. Ein Bezug dieser Messwerte auf diejenigen eines unbelasteten Filtrats war aufgrund der gewählten Probenahmezeitpunkte für die maximale Beckenbelastung und der häufigen Veränderungen an der Verfahrenstechnik nicht möglich. Die Analysen des Aluminiumgehaltes des Beckenwassers (Restaluminium aus dem Flockungsprozess mit Polyaluminiumchlorid) erbrachten unabhängig von den Projektstufen Messwerte, die bis auf eine Ausnahme stets unter der Nachweisgrenze von 10 µg/l Aluminium lagen.

Fazit

Mit einer Aufbereitungsanlage im Beckenwasserkreislauf, die bei einer Filtrationsgeschwindigkeit von 20 m/h gute Ablaufwerte, d. h. ein partikelarmes Filtrat erzeugt, werden auch bei einer Filtrationsgeschwindigkeit von 30 m/h gute Filtrate erreicht und eine entsprechende Beckenwasserqualität sichergestellt. Wird das vorhandene verfahrenstechnische Instrumentarium (Auswahl Flockungsmittel; Dosierung, Einmischung und Verweilzeit des Flockungsmittel bis zum Eintritt ins Filterbett; pH und Säurekapazität des Rohwassers; Filtermaterialien und Bettaufbau/Betttiefen; Phasen und Parameter der Filterspülung; Spezifika des Filterbetriebs wie Spülintervalle oder Durchsatzregelung) für eine Anlagenoptimierung genutzt, so führt eine Erhöhung der Filtergeschwindigkeit nicht zu einem Konflikt mit den Vorgaben der DIN 19 643 für mikrobiologische Qualitätsparameter, wasserchemische Qualitätsparameter oder für Hygienehilfsparameter. Auch die Zielstellung für die Partikelabscheidung von einer Filtratqualität mit nur 20 bis 50 Partikel/ml (≥ 1 µm) wird erreicht.

Die hier ermittelten Partikelanzahlkonzentrationen in den Filtraten sollten zudem ein Wegweiser für die Aufbereitungstechnik in Bädern sein. Mit Werten von unter 20 Partikel/ml (≥ 1 µm) stellen sie einen Orientierungswert dar. Dieser könnte bei der derzeit rund um das Normenvorhaben DIN 19 643-6 (Verfahrenskombination: Flockung – Adsorption – Ultrafiltration – Chlorung) geführten Sachdiskussion Hilfestellung bieten. Hierzu steht die Frage im Fokus, welches Mengenverhältnis einer mittels Membranfiltration aufbereiteten Rohwassermenge zu der im By-pass geführten nicht unterschritten werden darf und welche hieraus erwachsenden Qualitätseinbußen bei der Partikelkonzentration im Beckenwasser toleriert werden können.