Wasseraufbereitung und Grauwassernutzung

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Die Notwendigkeiten aber auch Möglichkeiten, erhebliche Mengen Trinkwasser einzusparen, haben sich in den letzten Jahren stark weiter entwickelt. Neben selbstverständlichen Maßnahmen, wie sparsamen Armaturen und einfach weniger Wasser zu verwenden, geht es selbstverständlich nicht mehr ohne die Aufbereitung von bereits verwendetem oder verschmutztem Wasser.

Wasseraufbereitung

Gewonnen werden kann das Wasser aus zahlreichen Wasserquellen, wie z.B.:

Je nach Aufbereitungsqualität kann das aufbereitete Wasser als Betriebswasser das Trinkwasser ersetzen oder es wird soweit aufbereitet, dass es die höheren Anforderungen der Trinkwasserqualität selbst wieder erfüllt:

  • Aufbereitung zu Betriebswasserqualität für die Toilettenspülung, Bewässerung, Reinigungszwecke, Waschmaschine, Kühlung, gewerbliche Anwendungen etc…
  • Aufbereitung zu Trinkwasserqualität zum Duschen, Spülen, Trinken etc…

Die Einsatzbereiche reichen vom Einfamilienhaus bis zu Mehrfamilienhäusern, Sporthallen, öffentlichen Gebäuden, Industrieobjekten etc. Die Wasseraufbereitung und Wiederverwendung bringt dabei ein ganzes Bündel von Vorteilen mit sich:

Vorteile für den Verbraucher:

  • Einsparung von Trinkwasser- und Abwassergebühren
  • Unabhängigkeit vom Wasserversorger
  • Regelmäßiger Ertrag
  • Hohe Qualität

Vorteile für Kommunen:

  • Verringerung der Ausgaben für den Hochwasserschutz/ Hochwasservermeidung
  • Senkung der Kosten im Kanalbau, Kanalsanierung und im Kläranlagenbetrieb
  • Einsparungspotenzial bei den Erschließungskosten von Neubaugebieten
  • Sicherung des Grundwasservorrates und somit der Trinkwasserversorgung

Dass die riesigen Potentiale für die dezentrale Wasseraufbereitung noch nicht ausgenutzt werden, liegt unter anderem daran, dass die sicheren, existierenden Technologien zur Wasseraufbereitung zu teuer in der Anschaffung und im Unterhalt sind. Noch leistungsfähigere Wasseraufbereitungsverfahren werden also benötigt.


Grundlagen zu Wasserqualitäten

Die wichtigsten Wasserparameter bei der Wasseraufbereitung

Die Inhaltsstoffe in verschmutztem Wasser können vielfältiger Art sein. In dieser Übersicht sind die wichtigsten Parameter mit einigen praktischen Hinweisen grob beschrieben: Zu den wichtigsten Wasserparametern gehören CSB, BSB5, TOC, SAK245, Leitfähigkeit, Trübung, Sauerstoff, pH-Wert und Schwermetallkonzentration.

Die wichtigsten Hygieneindikatoren bei der Wasseraufbereitung

Zu den Hygieneindikatoren zählen Bakterien, Viren und Protozoen.

Die Bezeichnung der Indikatorkeime ist sehr unterschiedlich und die Bewertung der einzelnen Gruppen ebenfalls. Diese Tatsache beruht auf den Nachweismethoden, die in den unterschiedlichen Ländern und Laboratorien angewandt wurden und werden. In der EU hat dieses dazu geführt, dass heute bei der Badegewässerqualität die intestinalen Enterokokken und E. coli bewertet werden. Es gibt keinen Organismus, der alle diese an einen Indikatorkeim gestellten Anforderungen erfüllt.

An Hygieneindikatoren werden folgende Anforderungen[1] gestellt:

  • Sie sollten ein Teil der normalen Darmflora von gesunden Menschen sein (ideal wäre, wenn sie nur im menschlichen Magen-Darm-Trakt vorkämen).
  • Sie sollten nur dann anwesend sein, wenn es wahrscheinlich ist, dass Krankheitserreger fäkalen Ursprungs anwesend sind.
  • Sie sollten in einer größeren Anzahl zu finden sein als die Krankheitserreger, die sie anzeigen sollen.
  • Sie sollten auch außerhalb des Verdauungstraktes wachsen und in der Natur widerstandsfähiger sein als pathogene Mikroorganismen (Krankheitserreger).
  • Sie sollten unter natürlichen Lebensbedingungen sowie nach Wasseraufbereitung resistenter sein als Krankheitserreger und in größerer Anzahl überleben.
  • Sie sollten einfach isolierbar, identifizierbar und zählbar sein.
  • Sie sollten selbst nicht eine Krankheit verursachen.
  • Die Anzahl der Indikatorbakterien sollte in Relation zur Menge der pathogenen Mikroorganismen stehen.

Qualität der möglichen Zulaufwässer

  • Gewerbliches Ablaufwasser ist im Einzelfall zu untersuchen.
  • Oberflächenwasser ist im Einzelfall zu untersuchen.
  • Grundwasser Die meisten Grundwässer außerhalb von landwirtschaftlich genutzten Flächen verfügen in der Regel über unbedenkliche BSB5 Werte.
  • Dachablaufwasser Im Dachablaufwasser ist in der Regel kein BSB5 nachweisbar.

Anforderungen an die Wasserqualität

Betriebswassersysteme

Damit die Wasseraufbereitungssysteme sowohl von den Endverbrauchern, als auch von den Kommunen und Ländern akzeptiert werden, müssen Betriebswassersysteme hohe Mindestanforderungen an die Wasserqualität erfüllen und es dürfen keine Gesundheitsgefährdungen von diesen Systemen ausgehen.

Anforderungen vom Markt nach Prioritäten geordnet:

  1. keine Feststoffe (Schutz der Armaturen, kein Geruch, geringe Trübung (Klarheit)
  2. DIN 19650 Qualitätsanforderungen für Bewässerungswasser
  3. geringe bakterielle Belastung, entsprechend der EU Badewasserrichtlinie
  4. USA, UK (BSRIA): keine nachweisbaren coliformen Keime
  5. Mindestchloranteil (USA, CA + andere Länder)

Geht man bei der organischen Belastung und bei den abfiltrierbaren Stoffen von den weltweit höchsten Standards aus, so hat das Brauchwasser folgende Qualitätsparameter zu erfüllen:

Parameter Einheit Grenzwert
Abfiltrierbare Stoffe TSS / AFS mg/l 10
Escherichia Coli 1/100 ml n.n
Gesamtcoliforme Keime 1/100 ml n.n

In den Ländern Canada, USA und Japan wird zudem bei der Wasseraufbereitung zu Betriebswasser ein Mindestchlorgehalt (>=0,5 mg/l) vorgeschrieben.

Übersicht über die weltweit bekannten Vorgaben zur Betriebswasserqualität:

EU GER UK Canada USA Australia
Bathing water quality, Directive 76/160/EEC 1975 empfohlen (Pflicht) Anforderungen an GW für Toilettenwasser (fbr H201) (BS 8525-1:2010) Spray application/non-spray Canadian Guidelines for Household Reclaimed Water for use in Toilet and Urinal Flushing. Draft for Consultation, July 2007 [1] NSF/ANSI Standard 350 for water reuse Guidelines for Water Reuse. US EPA. September 2004.[2] Class A reclaimed water quality
CSB (mg/l)
BSB (mg/l)BOD biochemical oxygen demand < 5 mg/l < 10 mg/l < 10 mg/l < 10 mg/l
AFS (mg/l) < 10 mg/l < 5 mg/l
Pges (mg/l)
Nges (mg/l)
PH 6-9 5-9,5 6-9
UV Transmission 70 % Berliner Systeme
Transparancy Turbidity 2(1) <10 < 2 NTU < 2 NTU
colour No abnormal changes
Mineral oils mg/litre No fil visible on the surface and no odour
Surface-active substances reacting with methylene blue mg/l No abnormal changes <0,3 (no lasting foam)
Dissolved oxygene % saturation O2 80 to 129 (-) > 50 %
Residual CL2 mg/l < 2/0,5 < 0,5 mg/l < 1 mg/l < 1 mg/l

at point of supply

Gesamtcoliforme Bakterien (1/ml) 5 (100) < 100 10/10
E.coli n.d./250 < 200 CFU/100 ml < 10 org/ 100 ml
Fäkalcoliforme Bakterien (1/ml) 1 (20) < 10 < 200 CFU/100 ml n. d. /100 ml
Legionalla pneumophila /100 ml 10/-
Intestinal enterrococci /100 ml n.d./100
Salmonella/litre - (0)
Enteroviruses PFU/10 litres - (0)
Pseudomonas aeruginosa (1/ml) < 1
Helminths - (0) < 1 viable helminth egg 7 litre
Protozoa < 1 protozoa / 50 litre
viruses < 1 enteric virus / 50 litre

Trinkwassersysteme

Soll das Betriebswasser weiter zu Trinkwasserqualität aufbereitet werden, so sind die Anforderungen an die jeweiligen Trinkwasserverordnungen der Länder zu beachten. In der folgenden Übersicht sind beispielhaft die zu untersuchenden Parameter für die Trinkwasserverordnung 2001 (Novellierung Nov. 2011) für Deutschland aufgeführt. [2]

Teil I: Allgemeine Anforderungen an Trinkwasser
Anlage 1 (zu § 5 Absatz 2 und 3) Mikrobiologische Parameter

Lfd Nr. Parameter Grenzwert ml
1 Escherichia coli (E. coli) 0/100
2 Enterokokken 0/100

Teil I: Chemische Parameter, deren Konzentration sich im Verteilungsnetz einschließlich der Hausinstallation in der Regel nicht mehr erhöht
Anlage 2 (zu § 6 Abs. 2 TrinkwV + Novellierung Nov. 2011)

Lfd Nr. Parameter Grenzwert mg/l
1 Acrylamid) 0,0001
2 Benzol 0,001
3 Bor 1
4 Bromat 0,01
5 Chrom 0,05
6 Cyanid 0,05
7 1,2-Dichlorethan 0,003
8 Fluorid 1,5
9 Nitrat 50
10 Pflanzenschutzmittel und Biozidprodukte 0,0001
11 Pflanzenschutzmittel und Biozidprodukte gesamt 0,0005
12 Quecksilber 0,001
13 Selen 0,01
14 Stetrachlorethen und Trichlorethen 0,01
15 Uran 0,01

Teil II: Chemische Parameter, deren Konzentration im Verteilungsnetz einschließlich der Hausinstallation ansteigen kann

Lfd Nr. Parameter Grenzwert mg/l
1 Antimon 0,005
2 Arsen 0,01
3 Benzo(a)pyren 0,00001
4 Blei 0,01
5 Cadmium 0,003
6 Epichlorhydrin 0,0001
7 Kupfer 2
8 Nickel 0,02
9 Nitrit 0,5
10 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe 0,0001
11 Trihalogenmethane 0,05
12 Vinylchlorid 0,0005

Anlage 3 (zu § 7 TrinkwV + Novellierung Nov. 2011), Indikatorparameter

Lfd Nr. Parameter Einheit Grenzwert mg/l
1 Aluminium mg/l 0,2
2 Ammonium mg/l 0,5
3 Chlorid mg/l 250
4 Clostridium perfringens (einschließlich Sporen) Anzahl/100 ml 0
5 Coliforme Bakterien Anzahl/100 ml 0
6 Eisen mg/l 0,2
7 Färbung (Spektraler Absorptionskoeffizient bei 436 nm) 1/m 0,5
8 Geruch TON 3 bei 25°C
9 Geschmack - für den Verbraucher annehmbar und ohne anormale Veränderung
10 Koloniezahl bei 22 °C - 100/1 ml
11 Koloniezahl bei 36 °C - 100/1 ml
12 elektrische Leitfähigkeit µS/cm 2790
13 Mangan mg/l 0,05
14 Natrium mg/l 200
15 organisch gebundener Kohlenstoff mg/l ohne anormale Veränderung
16 Oxidierbarkeit mg/l O2 5,0
17 Sulfat mg/l 250
18 Trübung NTU 1,0
19 Wasserstoffionenkonzentration 6,5-9,5
20 Calcitlösekapazität mg/l CaCO3 5
21 Tritium Bg/l 100
22 Gesamtrichtdosis mSv/Jahr 0,1

Reinigungstechnologien

Für die Wasseraufbereitung gibt es eine große Anzahl von Reinigungstechnologien.

Bei der Wasseraufbereitung zur Wiederverwendung als Nutzwasser wird zuerst eine mechanische Vorreinigung des Wassers vorgenommen, danach folgt die biologische Reinigung und die Belebung.

Mechanische Vorreinigung durch Siebung mit Skimmerüberlauf

In der Regel wird das aufzubereitende Wasser in einem Speicher zunächst gesammelt. Dort können mit einfachen mechanischen Mitteln Verbesserungen der Wasserqualität und der Lagerfähigkeit des Wassers erfolgen. Erläutert wird dies anhand des AQUALOOP Vorfilters, der alle Mittel in einem Bauteil beinhaltet.

AL Filter.jpg

  • entnehmbares Filtersieb zum Rückhalt von Grobschmutz (1)
  • Notüberlauf (2)
  • Skimmerüberlauf zum Abzug von Oberflächenschmutz (3)
  • Rückstauklappe zum Schutz der Anlage vor Kanalwasser, Kleintieren und Insekten (4)
  • Saugüberlauf zum Abzug von Bodensedimenten (5)

Vorfilter

In einem von oben entnehmbaren Filterkorb werden Schmutzpartikel größer als 1 mm zurück gehalten.

Saugüberlauf / Schlammaustrag

Ein gewisser Teil der abgestorbenen Biomasse wird regelmäßig über den Saugüberlauf des AQUALOOP Vorfilters in den Überlauf befördert. Hierzu kann die Entnahme aus dem Klarwasserspeicher in regelmäßigen Abständen unterbrochen werden, um einen Überlauf zu erzwingen.

Der Schlammanfall kann überschlagsmäßig wie folgt ermittelt werden:

BSB5 Eintrag 4 Personen Grauwasseranlage = ca. 53 Liter x 4 x 187 mg/l = 39,6 g/ Tag = 14,5 kg / Jahr

Ein Teil des sedimentierten Schlamms wird über den Saugüberlauf automatisch entfernt. Der restliche Schlamm muss im Rahmen der Wartungsintervalle abgepumpt werden.

Oberflächenskimmer

Hat der Saugüberlauf seine maximale Kapazität erreicht, läuft das Wasser über den integrierten Skimmer über und reinigt so die Wasseroberfläche von schwimmender Verschmutzung (Schaum, Fett, Öl). Dies führt zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Wasserqualität im Speicher.

Überlauf

Bei noch stärkerem Zulauf oder bei einem verstopftem Filter läuft das Wasser über den Überlauf in den Kanalanschluss. Bei einem solchen Überlaufereignis werden leichte Schmutzstoffe, teilweise z.B. Haare, automatisch in den Überlauf geschwemmt. Dies verringert die Wartungsintervalle des Filters.

Rückstauschutz

Die integrierte Rückstauklappe verhindert das Eindringen von Rückstauwasser, Kleintieren und Moskitolarven aus dem Überlauf zurück in den Speicher.

Biologische Reinigung / Belebung

Nach der Grobfiltration gelangt das Wasser sofort in den im gleichen Speicher befindlichen Membranbioreaktor. Hier findet ein kontinuierlicher, biologischer Abbau im sogenannten belüfteten Wirbelbett durch Bakterien statt. Diese siedeln sich nach wenigen Wochen Anlaufzeit automatisch auf den Füllkörpern, speziellen Schwebekörpern mit großer Oberfläche, an. Die erforderliche Luft stammt dabei aus der Membranstation und sorgt für die optimale Sauerstoffversorgung. Bei Kleinkläranlagen wird diese Technologie seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Durch die Bewegung der Schwebekörper und ihre besondere Geometrie werden sie automatisch von überschüssigem Schlamm gereinigt und bleiben somit quasi wartungsfrei.

Folgende Prozesse laufen dabei ab:

Kohlenstoffabbau (CSB, BSB) = Entfernen von gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen durch Wachstum von heterotrophen Bakterien unter aeroben Bedingungen Sauerstoffbedarf für Abbau etwa 1,2 kg O2 / kg BSB5 [3]

Nitrifikation = Oxidation von Ammonium (NH4+) über Nitrit (NO2-) zu Nitrat NO3- durch Wachstum von autotrophen Bakterien (Nitrifikanten) unter aeroben Bedingungen.
Sauerstoffbedarf für Nitrifikation etwa 4,3 kg O2 / kg N [4]

Bei der Aufbereitung zu Brauchwasser findet, im Gegensatz zu vielen Kläranlagenprozessen, keine Denitrifikation statt, da rein aerobe Umgebungsbedingungen normalerweise vorliegen:

Denitrifikation = Entfernung von oxidierten Stickstoffverbindungen durch Wachstum heterotropher Bakterien unter anoxischen Bedingungen.
Durch Denitrifikation wird etwa 2,9 kg O2 / kg zu denitrifizierender Stickstoff frei! [5]

Membrantechnik

Als vielversprechendes Verfahren, hygienisch einwandfreies Wasser zu liefern, hat sich in den letzten Jahren die Membrantechnik etabliert. Bei der Membranfiltration werden, ähnlich wie bei einem Sieb, abhängig von den Membranporen, feinste Partikel bis hin zu gelösten Stoffen, sowie Bakterien und Viren herausgefiltert.

Die oft genannten Nachteile der Membranfiltration

  • hoher Energieverbrauch durch benötigten Differenzdruck
  • Membranfouling erhöht den notwendigen Differenzdruck
  • Fette und Öle verstopfen die Membran
  • begrenzter Saug- und Rückspüldruck bei Plattenmembranen
  • hoher Wartungsaufwand infolge spezieller, chemischer Reinigung durch Fachpersonal
  • geringe Membranstandzeiten
  • hoher Preis der Membranfilter

können durch eine Optimierung der Vorfilterung, des biologischen Abbaus und einer neuen Membrantechnologie soweit gelöst werden, dass die Membrantechnik in einem breiten Anwendungsbereich heute erfolgreich eingesetzt werden kann.

Planung und Dimensionierung

Bemessung der Einzelkomponenten zur Grauwassernutzung und Wasseraufbereitung
siehe auch Online Planer.

Eingangswerte zur Dimensionierung

Die Eingangswerte zur Dimensionierung von Wasseraufbereitungsanlagen sind:

Wasserertrag

Liter/ Person und Tag; a. Trinken; b. Kochen; c. Geschirrspüler; d. Waschen; e. Zähne putzen; f. Baden - 2 mal wöchenlich; g. Duschen - 2 mal wöchenlich; h. Toilette; i. Waschmaschine; j. Wohnung reinigen; k. Autowäsche; l. Blumen gießen; m. Gartenbewässerung
[6]
Ertrag/Person und Tag Deutschland (fbr) AU (NSW)
Dusche, Badewanne, Handwaschbecken 40 l 66 l
Waschmaschine 13 l 47 l
Ertrag 53 l 113 l

Wasserbedarf

Bedarf/Person und Tag (fbr) AU (NSW)
WC 25 l(Mittel) 14,4 l
Waschmaschine 13 l 47 l
Putzen 5 l -
Bewässerung 5 l 35 l
Bedarf 48 l 96,4 l

Verschmutzung

CSB - 250-430 mg/l (fbr)
BSB - 125-250 mg/l (fbr) Durchschnitt = 187,5
N - 0,7-48 mg/l (NSW) (Grauwasser aus Waschmaschine)

Bemessung des Festbettes

Während für die Bemessung von z.B. Belebtschlammverfahren die Schlammbelastung (kg BSB5/kg TS*d) ausschlaggebend ist, wird bei Festbettverfahren im Allgemeinen ein Maximalwert für die Flächenbelastung festgelegt. Dieser errechnet sich aus der Menge der pro Tag der Anlage zufließenden Schmutzstoffe (= g BSB oder CSB / Tag) und der für die biologische Reinigung zur Verfügung stehenden Fläche auf Lavasteinen, Kunststofffüllkörpern oder ähnlichem und wird angegeben in (kg BSB o. CSB/m2*d).[1]

In Kleinkläranlagen soll zur Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Betriebes mit Sicherheitsfaktor eine Flächenbelastung von <0,004 kg BSB5/m2*d eingehalten werden. Da wir davon ausgehen können, dass der CSB im Mittel das Zweifache des BSB5 beträgt, kann man bei der CSB-Flächenbelastung von einem Wert von 0,008 kg CSB/m2*d ausgehen.

Neben dem Sauerstoffverbrauch für den BSB Abbau muss auch die Oxidation des Stickstoffs von Ammonium NH4 zu Nitrat NO3 berücksichtigt werden, dadurch steigt die benötigte Luftmenge je nach Stickstoffgehalt im Grauwasser an (bei GW ca. 10 mgN/L, dies führt zur dreifachen Menge Sauerstoffbedarf = ca. 30 mg/l. Da bei Grauwasseranlagen die Fracht üblicherweise nicht kontinuierlich über den Tag verteilt ist, muss darauf geachtet werden, dass das Festbett nach der Beschickung ausreichend Zeit (>2h) bekommt, die Verschmutzung abzubauen. In dieser Zeit sollte bei diskontinuierlichen Anlagen kein Klarwasser abgezogen werden, da ansonsten ein erhöhter CSB/ BSB5 auftreten kann.

Volumen Aufwuchskörper (Füllkörper)

Ermittlung der täglichen Schmutzfracht

Konzentration des zufließenden Grauwassers: 187,5 mg/l BSB
Tägliche Wassermenge: 210 l
=>Tägliche Schmutzfracht: 187,5 mg/l * 210 l = 39.375 mg = 39 g/d = 0,039 kg BSB/d

Ermittlung der erforderlichen Aufwuchsfläche

Zulässige Flächenbelastung < 0,004 kg BSB/m2*d
=> benötigte Aufwuchsfläche: 0,039 kg BSB/d / 0,004 kg BSB/m2*d = 9,75 m²

Ermittlung des Füllkörpervolumens

spezifische Oberfläche Füllkörper: 320m²/m³
=>Volumen Füllkörpermaterial: 30 Liter 9,75 m²/320m²/m³

Bestimmung des Sauerstoffbedarfs

Gewählter BSB Wert zur Ermittlung des benötigten Sauerstoffbedarfs: = 188 mg/l (aus BSB) + 10 mg/l x 3 (aus N) = 218 mg/l

Einflussparameter auf den Luftbedarf sind unter anderem:

  • Temperatur
  • Chem. Zulaufparameter (siehe Grauwasser Zulaufdaten)
  • Einblastiefe
  • Belüfterfläche
Luftbedarf für GW - Anlagen
Dichte Luft 1.293 kg/m² GW-Anfall 53 l/Pers.*d
Anteil O2 23% Massenanteil BSB-Fracht 187,5 mgBSB/l
Anteil O2 an Luft 0,29739 kg O2/m² O2-Bedarf 1,2 kg O2/kg BSB
GW-Typ GW-Zufluß BSB-Fracht Sauerstoffbedarf mit 1% Wirkungsgrad Luft pro Tag
Pers. l/d kgBSB/d mgBSB/min mgO2/min m³ Luft/min l Luft/min l Luft/min l Luft/min m²/d
4 212 0,03975 27,6 33,1 0,00011 0,111 11,1 12 17,3
8 424 0,0795 55,2 66,3 0,00022 0,223 22,3 23 33,1

Für die vereinfachte Abschätzung des Luftbedarfs für die biologischen Abbauvorgänge wurde mit den Grauwasser -Zulaufparametern unten abgebildetes Diagramm erstellt. Je nach EW-Anzahl kann auf der senkrechten Achse der Luftbedarf in l/min aus dem Diagramm abgeschätzt werden. Die Gebläse-Leistung muss entsprechend der Laufzeit angepasst werden (siehe nächster Punkt).

AL Sauerstoffgehalt eng.jpg

Beispiel Luftbedarf: Einfamilienhaushalt mit 4 Personen

=>Luftbedarf laut Diagramm: 12 l/min

Gebläse

Die Luftzufuhr erfolgt über ein Gebläse, welches mehrere Funktionen zugleich übernimmt:

  • Reinigung der Membranfasern durch Verwirbelung unter den Fasern (>30 Liter/min / Membran)
  • Reinigung der Füllkörper durch das Wirbelbett (>30 Liter / min/30 Liter Füllkörper)
  • Eintrag von Sauerstoff (siehe Bestimmung des Sauerstoffbedarfs)

Beispiel: Einfamilienhaushalt mit 4 Personen =>Luftbedarf: 12 l/min x 60 min x 24 h = 17,3 m³

1 Membran
30 L Füllkörper
Gebläse 45 Liter/Minute, 47 W

Dimensionierung Beispielzyklus Gebläse:

5 min Belüftung, 10 min Pause
20 min/h x 24 Stunden = 8 h / Tag = 480 min/Tag
480 min / Tag x 45 l/min =14.400 l = 21,6 m³ ≥ 17,3 m³
8 h / Tag x 47 W = 0,376 kWh/d
Stromverbrauch/m³ Grauwasser: 0,376 kWh/0,212 m³ Grauwasser = 1,774 kWh/ m³ Grauwasser
Ziel ≤ 2 kWh/m³ (!)

Stromverbrauch

Der Stromverbrauch für die Aufbereitung resultiert aus der Gesamtheit der aufgewendeten Energie der für das jeweilige Aufbereitungsverfahren benötigten elektrischen Komponenten. Dies können sein:

  • Gebläse
  • Pumpen (Saugpumpen, Druckpumpen, Hebepumpen)
  • Sonstige elektrische Komponenten (UV, Ozon etc...)

Für die Grauwasseraufbereitung kann je nach Anlagenausführung der Stromverbrauch bei über 5 kWh/m³ liegen. Membrananlagen sollten einen Stromverbrauch von < 3 kWh/m³ aufweisen.

Membranfläche

Mit dem Stabilisierungswert und der täglichen Filtrationszeit, kann eine überschlagmäßige Membranflächenauslegung vorgenommen werden.

  • Täglich erwartete Abwassermenge: 200 l/Tag
  • Filtrationszeit: 4 h/Tag
  • Filtrationsdruck gemäß Saugpumpe: 0,2 bar
  • Netto Stabilisierungswert mit empfohlener Rückspülung und Belüftung der Membran: 50 l/m2hbar
  • Stündlicher Wasserdurchsatz = 200 l/Tag / 4 h /Tag = 50 l/h
  • Erforderliche Mindest-Membranfläche = 50 l/m2hbar / 50 l/h / 0,2 bar = 5 m²

Desweiteren sind Sicherheitsfaktoren und bestimmte Mindestmembranflächen pro Modul zu berücksichtigen. Die empfohlenen Betriebseinstellungen der Membran hinsichtlich Saugdruck, Rückspülung und Belüftung sind mit dem Membranhersteller abzuklären.

  • 50l/m²hbar
  • 0,25 bar x 6m²x1/60h = 1,25 l/min
  • 6 min x (2 bis 5) x 4 – Rückspülvolumen = l/Tag

Behältervolumina

Bei Wasseraufbereitungssystemen, bei denen kein weiterer biologischer Abbau erforderlich ist (BSB < 25 mg/l), entfällt die Ermittlung des Bioreaktorvolumens. Das Behältervolumen muss dann nur so groß sein, dass die Membranstation (oder die Stationen) montiert werden können.

Beispiel Grauwassernutzung Volumen Bioreaktors und Klarwasserspeicher:

Bei Wasseraufbereitungssystemen mit biologischem Abbau (25 mg/l < BSB < 200 mg/l), wie der Grauwassernutzung, soll das Volumen des Bioreaktors und das Volumen des Klarwasserspeichers jeweils ca. dem Tagesanfall an Grauwasser bestehen.

Die Errechnung des täglichen Gesamtgrauwasseranfalls richtet sich nach dem Gebäudeobjekt, der in Betracht gezogenen Grauwasserquelle (Duschen, Badewanne, etc.) und der dort zu erwartenden maximalen Einwohner- und somit Nutzeranzahl. Der tägliche Gesamtgrauwasseranfall lässt sich aus den Teilsummen der einzelnen Grauwasserquellen gemäß nachstehender Formel errechnen.


QGW = ∑QGWi + ∑QGWj + ∑QGWn


∑QGWn = Grauwasseranfall x Einwohner (L/d)


Beispielrechnung Grauwasserertrag:

Gebäudeobjekt: Einfamilienhaushalt mit 4 Personen
Grauwasserquelle: Dusche, Badewanne, Handwaschbecken, Waschmaschine


QGW = [4 EW x 25 L/E*d]Dusche + [4 EW x 12 L/E*d]Badewanne + (4 EW x 3 L/E*d)Handwaschbecken + [4 EW x 13 L/E*d]Waschmaschine
QGW = 53 l/d/E *4 = 212 l/Tag


=>Volumen Bioreaktor: > 212 L
=>Volumen Klarwasserspeicher: > 212 L

Nutzungsgrad

Der maximale Nutzungsgrad der Wasseraufbereitungsanlage ist das Verhältnis aus Ertrag / Bedarf.

Beispielrechnung Grauwasserertrag:

  • Gebäudeobjekt: Einfamilienhaushalt mit 4 Personen
  • Anwendung: Toilette, Waschmaschine, Bewässerung Nutzgarten (200 m², Saison mit 180 Tagen)
  • QGW = (4 EW x 25 L/E*d)Toilette + (4 EW x 13 L/E*d)Waschmaschine + (4 EW x 10 L/E*d)Putzen und Bewässern
  • QGW = 192 L/d
  • Maximaler Nutzungsgrad 212 L/d / 192L/d = 1,1

Gegenüberstellung jährlicher Grauwasserertrag und -bedarf (durchschnittlicher Nutzungsgrad):

  • QGW,360d = 360 d x 212 L/d = 76.300 L
  • QGW,360d =180 d x 192 L/d + 180 x 152 L/d = 61.900 L

Der jährliche Nutzungsgrad für eine 4 köpfige Familie beträgt somit im Mittel 0,8. Der jährliche Nutzungsgrad für unterschiedlichste Anwendungsfälle variiert deutlich. Ist der Nutzungsgrad größer als 1, werden die Quellen mit dem größtem Schmutzanteil nicht angeschlossen. Dies verringert die Wartungsintervalle und erhöht die Lebensdauer der Anlage. Ist der Nutzungsgrad kleiner als 1, sollten weniger Verbraucher an die Anlage angeschlossen werden oder weitere Wasserquellen, wie die Regenwassernutzung in das Konzept eingebunden werden. Kurzfristige Schwankungen können mit der Trinkwassereinspeisung der Nachspeisesteuerung ausgeglichen werden. Der tägliche Gesamtgrauwasseranfall erfolgt nicht gleichmäßig über den Tag verteilt, sondern ist starken Schwankungen unterlegen. Die folgende Tagesganglinie verdeutlicht das.

Zeitintervall Prozentualer Anteil des Tagesvolumens %
6 Uhr bis 9 Uhr 30
9 Uhr bis 12 Uhr 15
12 Uhr bis 18 Uhr 0
18 Uhr bis 20 Uhr 40
20 Uhr bis 23 Uhrr 15
23 Uhr bis 6 Uhr 0

Installation von Wasseraufbereitungssystemen

Auslegung Grauwassersammelleitungen

DIN 1986-2: Schmutzwasserabfluss von Grund- oder Sammelleitungen innerhalb und außerhalb von Gebäuden Beispieldimensionierung machen für DN100 und DN150

Tab.13: Schmutzwasserabfluss von Grund- oder Sammelleitungen innerhalb und außerhalb von Gebäuden bei einem Füllungsgrad von 0,5 und Mindestgefälle:

Auszug aus Tab. 13 Grund- oder Sammelleitungen innerhalb von Gebäuden

Vs DN70 DN100 DN150 DN200
[l/s] 1,5 4,0 10,1 17,7

Tab. 2: Richtwerte für Abflusskennzahl K (l/s):

Wohnungsbau, Gaststätten, Pensionen, Büros, Schulen: 0,5 l/s
Krankenhäuser, Großgaststätten, Hotels: 0,7 l/s

Ermittlung des Schmutzwasserabflusses: Vs = K x Wurzel (Summe Aws) + Ve

Siehe Tab. 3 für ermittelte Werte !

Anschlusswerte AWs Nennweite der Einzelanschlussleitung
Handwaschbecken: 0,5 DN40
Waschmaschine: 1,5 DN70
Gewerbl. Waschm.: 2 DN100
Duschwanne: 1 DN50
Badewanne: 1 DN50
EFH klein (4 Personen)
1 x Badewanne 1 DN50
1 x Handwaschbecken 0,5 DN40
Waschmaschine 1 DN50
Summe AW 2,5

Tab. 9: Nennweiten von Sammelanschlussleitungen (Verlegekriterien!) bei Anschluss an belüftete Hauptleitung:

DN50 ( ) = (1,5 Aws /2,5) x 4 = max. 2,4 Personen
DN70 ( 1,5 l/s) = (4,5 Aws /2,5) x 4 = max. 7,2 Personen
DN100 (4,0 l/s) = (25 Aws/2,5) x 4 = max. 40 Personen

Tabelle 10: Schmutzwasserfallleitungen mit Hauptlüftung (K=0,5 l/s):

DN70 = 1,5 l/s = (9 AWs/2,5) x 4 = max. 14,4 Personen K = 0,5 l/s
DN100= 4,0 l/s = (33 Aws/2,5) x 4 = max. 52,8 Personen K = 0,7 l/s

=> Die Standard GWN Anlage (4 Personen) muss mindestens über einen DN70 Anschluss verfügen!

EFH groß (4 Personen) AWs Nennweite der Einzelanschlussleitung
2 x Badewanne 2 DN50
3 x Handwaschbecken 1 DN40
2 x Waschmaschine 2 DN50
Summe AW 5

Tab. 9: Nennweiten von Sammelanschlussleitungen (Verlegekriterien!) bei Anschluss an belüftete Hauptleitung

DN70 ( 1,5 l/s) = (4,5 Aws/5) x 4 = max. 3,6 Personen
DN100 (4,0 l/s) = (25 Aws/5) x 4 = max. 20 Personen

=> Mit DN100 ist man auf der sicheren Seite bei sehr großen EFH.

Qualitätsanforderungen an Leitungssysteme

Bei Wasseraufbereitungsanlagen werden Schläuche und Leitungen sowohl für Gebläseleitungen, als auch für die Betriebswasserleitungen benötigt.

  • Die besten Erfahrungen für Installationen in den Speichern (Gebläseleitungen, Ansaugleitung bis zu dem Hauswasserwerk, Permeatleitungen) konnten mit EPDM Gummischläuchen gesammelt werden.
  • Bei den Betriebswasserleitungen von den Hauswasserwerken bis zu den Verbrauchern sind druckfeste Kunststoffrohre zu empfehlen, aber auch Kupferinstallationen sind möglich.
  • Auf Kupferinstallationen im Speicherbereich verzichten, da diese schon bei geringen Konzentrationen von (übel riechendem) Schwefelwasserstoff in Verbindung mit Luftfeuchtigkeit oxidieren. (Nolde, Sonderdruck wwt 1/95)
  • Alle PVC-Schläuche, auch die chemisch beständigen, bleichen bei Wasserkontakt auf kurz oder lang aus. Die Weichmacher sind idealer Nährboden für Bakterien. Geruchsbildung ist möglich.

Gebläse Leitungen

Bei einer langen Gebläse Leitung ist der Druckverlust p_V durch Reibung zu berücksichtigen. Dieser ist in erster Linie abhängig vom Leitungsquerschnitt, der Wandrauhigkeit und dem Volumenstrom.

Die Dimensionierung erfolgt anhand der Kennlinie des verwendeten Gebläses. Der Maximaldruck p_{ges,max} im Auslegungspunkt bestimmt sich durch:

p_{ges,max} = p_{W,max} + p_{V,max}

wobei p_{W,max} = maximaler Wasserstand über Gebläseanschluss

Gebläsetyp pges,max [mbar] pW,max [mbar] pV, max [mbar] ½“-Schlauch max. Leitungslänge [m] 1“-Schlauch max. Leitungslänge [m]
AL-30-L 130 110 20 66 m --
AL-60-L 170 150 20 20 m 500
AL-100-L 200 180 20 -- 220
AL-120-L 200 180 20 -- 140
AL-200-L 200 180 20 -- 70

Tab.: Leitungsquerschnitte und max. Leitungslängen bei den AQUALOOP Varianten

Be- und Entlüftung

GWN Ventilation.png

Die Entlüftung von Sanitärleitungen innerhalb von Gebäuden regelt die DIN EN 12056. Als deutsche Ergänzungsnorm wird die DIN 1986-100 herangezogen.

Erfolgt beim AQUALOOP die Zuleitung über einen entlüfteten Zulaufanschluss, ist kein separater Entlüftungsanschluss notwendig. Alle einzelnen Kammern des AQUALOOP sind oberhalb der Wasseroberfläche miteinander verbunden. Die Entlüftung erfolgt über den entlüfteten Zulaufanschluss. Der Überlauf des AQUALOOP ist bauseitig mit einem Siphon zu versehen. Duschtassen- und Badewannenablauf sind – wenn normgerecht installiert – mit einem Siphon ausgestattet. Ist ein Hebepumpenüberlauf vorzusehen, ist auch hier auf einen normgerechten Anschluss zu achten.

Quellen

  1. 1,0 1,1 ISA – Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen
  2. http://www.gesetze-im-internet.de/trinkwv_2001/index.html
  3. Wikipedia
  4. Deutscher Wetterdienst
  5. commons Wikimedia
  6. der Jahre 1993 bis 1997 in Siegen Forschungsstelle Wasserwirtschaft fwu Universität Siegen DIN 1989-1, Universität Oldenburg