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. Die Wasseraufbereitung und Wiederverwendung bringt dabei ein ganzes Bündel von Vorteilen mit sich:

Vorteile für den Nutzer:

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

Vorteile für Kommunen:

  • Senkung der Kosten im Trinkwassernetz und Wasseraufbereitungsanlagen
  • Senkung der Kosten im Kanalbau, Kanalsanierung und im Kläranlagenbetrieb
  • Einsparungspotenzial bei den Erschließungskosten von Neubaugebieten
  • Sicherung des Grundwasservorrates und somit der Trinkwasserversorgung

Das enorme Potenzial für dezentrale Wasseraufbereitungssysteme wurde noch nicht ausgeschöpft. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, dass Gemeinden zur Deckung der Kosten Ihrer bestehenden Strukturen Anschlüsse verlangen. Durch Anreize für dezentrale Systeme könnten die Kommunen jedoch auch viele Kosten einsparen und gleichzeitig einen florierenden Geschäftsmarkt schaffen.

Das andere Hindernis war bisher die Verfügbarkeit der Technologie für die dezentrale Wasseraufbereitung. Inzwischen ist diese Technologie jedoch ausgereift, zuverlässig, wirtschaftlich und sicher. Es ist zu erwarten, dass die dezentrale Wasseraufbereitung in einer Vielzahl von Anwendungen, die auf regionalen Bedürfnissen basieren, immer häufiger eingesetzt wird.


Grundlagen zu Wasserqualitäten

Wasser Qualität Parameter

Die Inhaltsstoffe in verschmutztem Wasser können vielfältiger Art sein. Unterschiedliche Anwendungen, einschließlich Betriebswasser und Trinkwasser, unterliegen unterschiedlichen Vorschriften hinsichtlich gleicher oder zusätzlicher Wasserqualitätsparameter. In dieser Übersicht sind die wichtigsten Parameter CSB, BSB5, TOC, Leitfähigkeit, Trübung, Sauerstoff, pH-Wert und Schwermetallkonzentration mit einigen praktischen Hinweisen grob beschrieben:

Hygieneindikatoren

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 dies 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

Flusswasser mit hoher Trübung und AFS
  • Ablaufwasser aus Waschmaschinen
  • Oberflächenwasser ist im Einzelfall zu untersuchen.
  • Grundwasser außerhalb von landwirtschaftlich genutzten Gebieten, verfügt in der Regel über sehr niedrige BSB5 Werte, kann aber gelöste Metalle enthalten. Die Wasserqualität muss individuell geprüft werden
  • Dachablaufwasser hat meist keine bis sehr niedrige BSB5 Werte und anthropogene Mikroschadstoffe.

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. Multi-Barriere-Ansatz: Filtration gefolgt von zusätzlicher Desinfektion (USA, CA und andere Länder)

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

Parameter Einheit Grenzwert
AFS mg/l 10
Escherichia Coli 1/100 ml Nicht nachweisbar
Gesamtcoliforme Keime 1/100 ml Nicht nachweisbar

In Kanada, den USA und Japan ist für das Betriebswasser ein Mindestchlorgehalt (≥ 0,5 mg / L) oder eine äquivalente Desinfektion erforderlich. Im Folgenden sind einige Vorschriften und deren Anforderungen aus mehreren Ländern der Welt aufgelistet.

Übersicht über die weltweit bekannten Vorgaben zur Betriebswasserqualität:

Land EU DE UK CA USA AU
Normen Qualität der Badegewässer und deren Bewirtschaftung und zur Aufhebung der Richtlinie 76/160/EWG [1] DWA-M 277 Hinweise zur Auslegung von Anlagen zur Behandlung und Nutzung von Grauwasser und Grauwasserteilströmen [2] Greywater systems – BS 8525-1:2010 for spray applications [3] Canadian Guidelines for Domestic Reclaimed Water for Use in Toilet and Urinal Flushing [4] NSF/ANSI 350 – 2014 Onsite Residential and Commercial Water Reuse Treatment Systems [5] Class A reclaimed water quality objectives (EPA Victoria) [6]
BSB (mg/l) < 5 Median 10
Maximal 20
Median 10
Maximal 25
< 10
AFS (mg/l) Median ≤ 10
Maximum ≤ 20
Median 10
Maximal 30
< 5
PH 6,5 - 9,5 5 - 9,5 6,0 - 9,0 6 - 9
UV Transmission > 60 %
Trübung (NTU) < 2 < 10 Median 2
Maximal 5
Median 2
Maximal 5
< 2
Farbe Zu messen
Geruch Nicht unangenehm
Öliger Film und Schaum Nicht nachweisbar
Sauerstoff % O2 > 50
Rest Chlor mg/l < 2,0 ≥ 0,5 ≥ 0,5 - ≥ 2,5
(oder gleichwertige Desinfektion)
1
(oder gleichwertige Desinfektion)
Rest Brom (mg/l) 0.0
Natrium Adsorptions-Kennzahl Zu messen
Gesamtcoliforme Bakterien < 10.000/100 ml 10 Median nicht nachweisbar
Maximal 200 KBE/100 ml
E.coli 500-1000 KBE/100 ml (Binnengewässer)
250-500 KBE/100 ml (Küsten- und Übergangsgewässer)
< 1.000/100 ml Nicht nachweisbar Median nicht nachweisbar
Maximal 200 KBE/100 ml
Median 2,2/100 ml
Maximal 200/100 ml
< 10/100 ml
Legionalla pneumophila 10/100 ml
Intestinale Enterokokken 200-400 KBE/100 ml (Binnengewässer)
100-200 KBE/100 ml(Küsten- und Übergangsgewässer)
Nicht nachweisbar
Pseudomonas aeruginosa < 100/100 ml
Helminths < 1 helminth/l
Protozoen < 1 Protozoen/50 l
Viren < 1 Viren/50 l

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
1 Escherichia coli (E. coli) 0/100 ml
2 Enterokokken 0/100 ml

Anlage 2 (zu § 6 Abs. 2) Chemische Anforderungen

Teil I: Chemische Parameter, deren Konzentration sich im Verteilungsnetz einschließlich der Trinkwasser-Installation in der Regel nicht mehr erhöht

Lfd Nr. Parameter Grenzwert mg/l
1 Acrylamid 0,00010
2 Benzol 0,0010
3 Bor 1,0
4 Bromat 0,010
5 Chrom 0,050
6 Cyanid 0,050
7 1,2-Dichlorethan 0,0030
8 Fluorid 1,5
9 Nitrat 50
10 Pflanzenschutzmittel-Wirkstoffe und Biozidprodukt-Wirkstoffe 0,00010
11 Pflanzenschutzmittel-Wirkstoffe und Biozidprodukt-Wirkstoffe insgesamt 0,00050
12 Quecksilber 0,0010
13 Selen 0,010
14 Tetrachlorethen und Trichlorethen 0,010
15 Uran 0,010

Teil II: Chemische Parameter, deren Konzentration im Verteilungsnetz einschließlich der Trinkwasser-Installation ansteigen kann

Lfd Nr. Parameter Grenzwert mg/l
1 Antimon 0,0050
2 Arsen 0,010
3 Benzo-(a)-pyren 0,000010
4 Blei 0,010
5 Cadmium 0,0030
6 Epichlorhydrin 0,00010
7 Kupfer 2,0
8 Nickel 0,020
9 Nitrit 0,50
10 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe 0,00010
11 Trihalogenmethane 0,050
12 Vinylchlorid 0,00050

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

Teil I: Allgemeine Indikatorparameter

Lfd Nr. Parameter Einheit Grenzwert
1 Aluminium mg/l 0,200
2 Ammonium mg/l 0,50
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 0,200
7 Färbung (Spektraler Absorptionskoeffizient Hg 436 nm) 1/m 0,5
8 Geruch TON 3 bei 25°C (nach DIN EN 1622)
9 Geschmack - für den Verbraucher annehmbar und ohne anormale Veränderung
10 Koloniezahl bei 22 °C - ohne anormale Veränderung
11 Koloniezahl bei 36 °C - ohne anormale Veränderung
12 elektrische Leitfähigkeit µS/cm 2790 bei 25°C
13 Mangan mg/l 0,050
14 Natrium mg/l 200
15 Organisch gebundener Kohlenstoff (TOC) ohne anormale Veränderung
16 Oxidierbarkeit mg/l O2 5,0
17 Sulfat mg/l 250
18 Trübung NTU 1,0
19 Wasserstoffionenkonzentration ≥ 6,5 und ≤ 9,5
20 Calcitlösekapazität mg/l CaCO3 5
21 Tritium Bq/l 100
22 Gesamtrichtdosis mSv/Jahr 0,1

Reinigungstechnologien

Abwasseraufbereitungsprozess

Für die Wasseraufbereitung gibt es eine große Anzahl von Reinigungstechnologien.

Für die Wasserbehandlung und insbesondere zur Wiederverwendung von Wasser gibt es drei allgemeine Behandlungsschritte: primäre oder mechanische / physikalische Vorbehandlung, sekundäre oder biologische Behandlung und Tertiärdesinfektion. Eine vierte Stufe ist in den fortschrittlichsten Wasserbehandlungssystemen, quaternären oder erweiterten Oxidationstechnologien zu finden.

Primäre physikalische Behandlung

Beispiel für Spaltsieb, 0,8 mm aus der PURAIN Filterserie

Die primäre Behandlung ist verantwortlich für das Entfernen größerer Partikel aus den zufließenden Wasserströmen. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen (siehe Behandlungstechnologien). Im Allgemeinen beginnt der Prozess mit dem Filtern von grobem Schmutz durch progressiv feinere Stabgitter oder Spaltsiebe, der dann gesammelt und entsorgt wird.

Weitere primäre Wasserbehandlungen sind Korn-, Partikel- und Schaumentfernungskammern und Absetzbecken. Diese können je nach Auslegung der Aufbereitungsanlage kombiniert oder nacheinander eingesetzt werden. Das Ziel dieser Kammern ist es, sowohl große schwere Teilchen als auch schwimmenden Schaum zu entfernen.

  • Beispiel von Sedimentation und Schlammentfernung
  • Beispiel von Skimmerentfernung aus der PURAIN Filterserie

Sedimentationsanlagen bieten ein großes Volumen, das die Durchflussgeschwindigkeit reduziert, so dass Partikel absinken, gesammelt und entsorgt werden können. Schwimmstoffe werden über Skimmer entfernt.

Sekundäre biologische Behandlung

Sauerstoffeintrag über AQUALOOP Membrankartuschen (blaue Module)
Beispiel für einen Wirbelbett Reaktor mit Aufwuchskörpern (MBBR)

Bei der Wasseraufbereitung kann Wasser nach der Vorklärung noch reich an biologisch abbaubaren Verunreinigungen (BSB) sein. Dies ist eigentlich Nahrung für Mikroorganismen. Indem man dem Wasser Sauerstoff zuführt, können diese Organismen sich vermehren und die Verunreinigungen in einem aeroben Abbauprozess umsetzen.

Ein Kilogramm BSB benötigt etwa 1,2 kg Sauerstoff, der von den Mikroorganismen in der sekundären Behandlungsstufe abgebaut wird. Durch die Kenntnis des BSB-Inhalts, der Durchflussrate, der Temperatur und der Abmessung des Tanks kann berechnet werden, wie viel Sauerstoff durch die Belüftung hinzugefügt werden muss.

Da reine Luft eine Vielzahl von Gasen enthält, in denen Sauerstoff mit ca. 21% nur ein Teil ist, muss viel mehr Luft einem System zur Verfügung gestellt werden, um die notwendige Umwandlung von BSB zu erreichen. Der Sauerstoff kann durch Membranbelüfter vom Boden des Tanks mittels Luftblasen dem Wasser zugeführt werden.

Die Effizienz des Behandlungssystems hängt davon ab, wie viele Organismen mit Nahrung und Sauerstoff versorgt werden können. Dies bedeutet, dass eine große Oberfläche für die Ansiedlung der Bakterien gegenüber dem Volumen benötigt wird.

Ein besonders effizientes Verfahren, für das Erreichen einer großen Oberfläche im Vergleich zum Volumen, ist der sogenannte Wirbelbett Reaktor (MBBR).

In einem AQUALOOP Wirbelbett Reaktor wird beispielsweise ein Oberflächen-/Volumen-Verhältnis von 320 m²/m³ erreicht.

Tertiäre Desinfektion

Ultrafiltrationsverfahren am Beispiel der AQUALOOP-Membranen mit 0,02 µm

Strengere Umweltvorschriften erfordern bei Kläranlagen inzwischen immer öfter weitere Aufbereitungsmaßnahmen, bevor das Wasser in die Umwelt (Vorfluter oder Versickerung) eingeleitet werden darf.

Die Mikrofiltration oder die noch bessere Ultrafiltration stellen eine rein mechanische Form der Desinfektion dar, ohne chemische Nebenprodukte wie z.B. bei der Chlordesinfektion zu erzeugen. Diese Filtration erfolgt üblicherweise durch Flach- oder Hohlfasermembranen mit Porengrößen unter 0,02 μm.

Die mikroskopische Größe der Poren innerhalb der Filtermembran hält Bakterien und Viren davon ab, hindurch zu gelangen. Gereinigt wird die Membran durch Rückspülung und Luftblasen, die außen an der Membran vorbeiströmen.

Tab.: Porengroßen von verschiedenen Arten der Filtration [3]

Typ Größe
[µm]
herausfilterbar
Filtration 10 - 100 Hefezellen
Mikrofiltration 10-1 - 10 Bakterien
Ultrafiltration 10-2 - 10-1 Viren
Nanofiltration 10-2 - 10-3 teilweise Salz
Umkehrosmose 10-4 - 10-3 Salz

Für die Betriebswasseraufbereitung und Hygienisierung sind die Mikro- und Ultrafiltrationen geeignet. Gelöste Stoffe können jedoch nicht herausgefiltert werden.

UV Desinfektion

Insbesondere im Falle der Wiederverwendung von aufbereitetem Grau- oder Abwasser wird in einigen Standards eine weitere Desinfektion des bereits behandelten und gespeicherten Wassers gefordert, um die Gefahr durch eine Nachverkeimung auszuschließen. Hierzu eignet sich eine UV-Desinfektion, die „in-line“ hinter die Druckerhöhung installiert wird.

Quartäre Behandlung

Auch als „Erweiterte Oxidation (AOP)“ bekannt, ist dieser Behandlungsschritt nur in den modernsten Wasseraufbereitungsanlagen enthalten. Erweiterte Oxidation bezeichnet eine Reihe von Verfahren zur chemischen Aufbereitung organischer und anorganischer Stoffe in Abwässern durch Oxidation.

Planung und Dimensionierung

In diesem Kapitel finden Sie einfache Dimensionierungen für verschiedene Systemanwendungen.

Im Folgenden finden Sie ein Beispiel und die wichtigsten Überlegungen für die Auslegung eines Grauwasser-Recycling-Systems.

Eingangswerte zur Dimensionierung

Die Werte für die Dimensionierung können zwischen Systemen, Regionen und Ländern stark variieren und hängen stark von unterschiedlichen Verbrauchsmustern ab. Im Folgenden finden Sie Beschreibungen zu jedem Dimensionierungsschritt sowie Beispielberechnungen, in denen man spezifische Werte einsetzen kann.

Wasserertrag

Liter/ Person und Tag;
a. Trinken e. Zähne putzen i. Waschmachine m. Garten
b. Kochen f. Baden- 2 mal wöchentlich j. Wohnung reinigen
c. Geschirrspüler g. Duschen - 2 mal wöchentlich k. Autowäsche
d. Waschen h. Toilette l. Blumen gießen
[4]
Wasserverbrauch.png

Anhand des obigen Diagramms, lassen sich der durchschnittliche tägliche Wasserverbrauch und die verschiedenen Anteile, z.B. Bad und Dusche ermitteln. Diese können auch vor Ort gemessen oder aus Standards von nationalen Verbänden, wie unten für Deutschland und Australien, entnommen werden.

Je nach Betrachtungsweise können die Werte als Wasserverbrauch oder als Wasserbedarf angesetzt werden.

Ertrag/Person und Tag Deutschland (fbr) Australien (NSW)
Dusche, Badewanne, Handwaschbecken 40 l 66 l
Waschmaschine 13 l 47 l
Ertrag 53 l 113 l

Wasserbedarf

Bedarf/Person und Tag Deutschland (fbr) Australien (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

Im gezeigten Beispiel überschreitet das vorhandene Grauwasser mit 52 l den täglichen Bedarf mit 48 l. Um größeren Bedarf zu decken kann zum Beispiel zusätzlich Regenwasser genutzt werden.

Parameter für die Wasserwiederverwendung

Die Wasserqualität des zu recycelnden Wassers hängt stark von seiner Quelle ab. Als Beispiel finden Sie in der folgenden Tabelle typische Parameter, die für die Dimensionierung von Grauwassersystemen verwendet werden.


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

Auslegung von Grauwassersammelleitungen

Die Informationen in diesem Abschnitt basieren auf der deutschen Norm DIN 1986-100: 2016-12: Schmutzwasserabfluss von Sammelleitungen innerhalb und außerhalb von Gebäuden. Regionale Unterschiede sind bei der Dimensionierung zu beachten.

Tab.: Abflussvermögen von Entwässerungsleitungen bei einem Füllungsgrad von h/d=0,5 aus Tab. A.3 von DIN 1986 bei einem Mindestgefälle von 1,00 cm/m.

DN di, min
mm
Qww, max
L/s
100 96 2,5
150 146 7,7
200 184 14,2
300 290 47,4

Ermittlung des Abflussvermögens:

Dabei ist:

Qww Abflussvermögen in Liter je Sekunde, (l/s)
K Abflusskennzahl
∑DU Summe der Anschlusswerte

Tab.: Abflusskennzahlen (K)

Gebäudeart und Benutzung K
Unregelmäßige Benutzung, z.B. in Wohnhäusern, Altersheimen, Pensionen, Büros 0,5
Regelmäßige Benutzung, z.B. Krankenhäusern, Schulen, Restaurants, Hotels 0,7
Häufige Benutzung, z.B. in öffentlichen Toiletten und / oder Duschen 1,0

Tab.: Anschlusswerte und Nennwerte von belüfteten und unbelüfteten Einzelanschlussleitungen aus Tab. A.6 von DIN 1986.

Entwässerungsgegenstand Anschlusswert DU
L/s
Einzelanschlussleitung
Waschbecken 0,5 DN40
Dusche 0,8 DN50
Badewanne 0,8 DN50
Waschmaschine 1,5 DN 56/60

Beispiel:

Tab.: Beispielrechnung für ein Wohnhaus

Entwässerungsgegenstand Gesamte Anschlusswerte DU

l/s

20 x Dusche 16,0
20 x Handwaschbecken 10,0
20 x Waschmaschinen 30,0
Summe 56,0

=> Nach Tab. A.3 wird ein Anschlussdurchmesser von DN150 benötigt

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.

MBBR Aufwuchskörper (Füllkörper)

Eine Art der biologischen Wasseraufbereitung wird MBBR (Wirbelbett Reaktor) genannt. Das sogenannte Wirbelbett besteht aus zahlreichen Wachstumsträgern (Füllkörpern) innerhalb des Behandlungsreaktors, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen. Die benötigte Menge an Füllkörpern lässt sich aus der zulässigen Flächenbelastung von 0,004 kg BOD/m²/Tag, dem zufließenden Volumenstrom und der organischen Belastung ermitteln. Beispiel: 300 l/Tag Grauwassersystem für ein Einfamilienhaus Wie bereits erwähnt, beträgt die durchschnittliche BSB-Konzentration in Grauwasser im Durchschnitt 187,5 mg/l.

Durch Division durch die maximal erlaubte Flächenlast lässt sich die benötigte Fläche ermitteln.

Das erforderliche Füllkörpervolumen ergibt sich schließlich aus dem Verhältnis von Oberfläche zu spezifischen Volumen der gewählten Füllkörper, in unserem Fall 320 m³/m²,

=> Für dieses Einfamilienhaussystem werden 44 L Füllkörper benötigt.

Bestimmung des Sauerstoffbedarfs

Im Bioreaktor müssen die Bakterien mit Sauerstoff und Nahrung versorgt werden. Die Nahrung ist der BSB-Gehalt des Rohwassers. Der durchschnittliche BSB von Grauwassersystemen beträgt ca. 187,5 mg/l. Für die Behandlung ist eine bestimmte Menge Luft erforderlich.

Einige der Parameter, die den Luftbedarf beeinflussen, sind:

  • Temperatur
  • Chem. Zulaufparameter (siehe Grauwasser Zulaufdaten)
  • Einblastiefe
  • Belüfterfläche

Vereinfachend kann ein Sauerstoffgehalt von 23 Gew .-% angenommen werden.

Aus der Erfahrung ist bekannt, dass, dass für die Umsetzung von 1 kg BSB etwa 1,2 kg Sauerstoff benötigt werden.

Der Wirkungsgrad des Sauerstoffeintrages in das Wasser hängt von der Blasengröße und der Aufenthalts der Blasen im Wasser ab. Diffusoren mit groben Blasen haben aufgrund des geringen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen im Allgemeinen einen Wirkungsgrad von 1% pro Meter. Feinblasendiffusoren haben in der Regel Wirkungsgrade von 5% pro Meter. Je tiefer die Diffusoren im Wasser eingebaut sind, desto mehr Sauerstoff kann in das Wasser eingetragen werden.

Bei intermittierender Verwendung mit Belüftungszyklen kann sich die erforderliche Gebläsegröße ändern.

Beispiel: Belüftung in einer 6-Person Grauwasseranlage mit einem Grobblasendiffusor

=> Bei einem kontinuierlichen Betrieb würde 10,2 l/min Luft benötigt.

Tabelle: Trockenluftbedarf für Grauwassersysteme mit Grobblasendiffusor und Einblastiefe von 2 m

Dichte Luft 1,293 kg/m³ GW Anfall 60 l/Person/Tag
Anteil O2 23% Massenanteil BSB Fracht 187,5 mg/l
Anteil O2
an Luft
0,29739 kg/m³ O2 Bedarf 1,2 kgO2/kgBSD
GW Zufluss BSB Fracht Sauerstoffbedarf Mit 1%
Wirkungsgrad
Luft pro Tag
PE l/Tag kg BSB/Tag Mg BSB/min Mg O2/min m³ Luft/min l Luft/min l Luft/min m³/Tag
6 360 0,0675 46,9 56,3 0,000203 0,203 10,2 14,7

Gebläse Dimensionierung

Bei der AQUALOOP Technik erfolgt die Luftzufuhr 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 6 Einwohner, Grobblasendiffusor

Gebläsezyklus: 5 Minuten Belüftung, 10 Minuten Pause

Gebläsebetrieb: 20 Minuten / Stunde oder 8 Stunden / Tag

Dies bedeutet, dass dem System in 1/3 der Zeit für den kontinuierlichen Betrieb die gleiche Menge Luft zugeführt werden muss.

=> Ein Gebläse mit einem Volumenstrom von > 30,6 l/min Luft ist zu wählen.

Für größere Systeme, die mehr Sauerstoffeintrag benötigen, sollten feinperlige Diffusoren zusätzlich eingebaut werden:

Beispiel: Belüftung mit Feinblasendiffusor in 2m Tiefe für 20.000 l Grauwasser/Tag

=> Ein Gebläse mit einem Volumenstrom von > 112,9 l Luft/min ist zu wählen.

Aufgrund des Wirkungsgradunterschiedes zwischen Grobblasen- und Feinblasendiffusoren, sollten insbesondere bei großen Anlagen kontinuierlich arbeitende, feinperlige Diffusoren eingesetzt werden, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen.

Membranfläche Dimensionierung

Beispieldurchfluss einer AQUALOOP-Membran in Abhängigkeit der Wartungsintervalle bei einem Grauwasserrecycling System

Die Dimensionierung von Filtermembranen für Wasser-Recyclingsysteme ist nicht Gegenstand dieser Wiki Seite. Jeder Hersteller hat spezifische Filtermembranparameter, Spezifikationen und Anforderungen für die optimale Funktion seiner Systeme. Faktoren, die die Funktion von Membranfiltern beeinflussen können, sind zum Beispiel die Wassertemperatur, der Differenzdruck über die Membranoberfläche und der Grad der Verblockung der Membranporen.

Im Laufe der Zeit verringert sich der Durchfluss durch eine Membran und nähert sich dabei einem sogenannten Stabilisierungsflux. Dies ist der Durchfluss, der über eine sehr lange Zeit ohne weitere Reinigungsmaßnahmen konstant bleibt.

Behältervolumina

In einem Grauwasserrecycling System wird zwischen zwei Speichern unterschieden:

  1. Bioreaktor
  2. Klarwasserspeicher

Die Größe des Bioreaktors hängt vom Verschmutzungsgrad, dem Aufbereitungsvolumen und dem Durchfluss der Membran ab. Die Größe des Klarwasserspeichers hängt von der Tagesganglinie der Verbraucher und ebenfalls von dem Durchfluss der Membran ab.

Bioreaktor

Ein Bioreaktor wird nur für die Wiederverwendung mit > 5 mg BSB/L benötigt, z.B. mit Grauwasser oder Abwasser. Unterhalb dieser Menge ist keine Belüftung für die Behandlung erforderlich, aber die Tankdimensionierungsprinzipien sind gleich.

Der Bioreaktor enthält üblicherweise die Belüftung- und Aufwuchskörper für die Wasserbehandlung sowie die biologische Schlammentfernung.

  • Beispiel Bioreaktor mit Vorreinigung (1), biologischem Abbau (2&3), Schlammentsorgung (5) und Ultrafiltration (4)
  • Beispiel des Nutzvolumens des Bioreaktors

Beispiel Rechnung: Grauwassersystem in einem 112-Personen-Wohnhaus in Europa

Das sogenannte „Nutzvolumen“ sollte > 50% des Tagesbedarfs sein.

In der Beispielanlage muss der Mindestwasserstand 700 mm betragen, damit die Membranen ständig im Wasser stehen.

Im folgenden Beispiel wird das Nutzvolumen eines Tanks mit folgenden Daten ermittelt:

Höhe = 2,1 m
Überlaufhöhe = 1,55 m
Länge = 2,39 m
Breite = 1,35 m

Nutzhöhe=1,55 m-0,7 m=0,85 m
Nutzvolumen=2,39 m x 1,35 m x 0,85 m = 2,74 m³

=> Der Tank hat ein Nutzvolumen größer als 50% des Tagesbedarfs.

Klarwasserspeicher

Beispiel des Nutzvolumens eines Klarwasserspeichers aus dem AQUALOOP System

Ein Klarwasserspeicher hangt von dem täglichen Wasserbedarf der Objekte ab und kann auch 50% des Tagesbedarfs fördern. Das Nutzvolumen des Klarwasserspeichers ist das gesamte Volumen zwischen dem Notüberlauf und der Absaugung.

Nutzungsgrad

Der Nutzungsgrad eines Wasseraufbereitungssystems ist das Verhältnis von Verbrauch zu Bedarf.

Beispielrechnung für eine Grauwasser-Recycling Anlage:

Gebäude: Einfamilienhaus mit 4 Einwohnern

Verbrauch: Toilette, Waschmaschine, Reinigung und Bewässerung, siehe 3.1.2 Wasserbedarf für Deutschland

=> Der Grauwasserertrag ist in diesem Beispiel etwas größer als der Bedarf. Dies ist optimal, um auch tageszeitliche Schwankungen (siehe Tabelle "Prozentualer Anteil an Grauwasser über den Tag am Beispiel eines Wohngebäudes" unten) ausgleichen zu können.

Wenn der Ertrag deutlich größer als der Bedarf ist, kann zum Beispiel auf den Anschluss der Waschmaschine verzichtet werden. Da das Ablaufwasser der Waschmaschine höher belastet ist, reduziert dies die Wartungsintervalle der Systeme.

Wenn der Ertrag kleiner als der Bedarf ist, sollte überprüft werden, ob auch das Ablaufwasser aus der Kläranlage oder Regenwasser angeschlossen werden können. Mit neuen Technologien, wie der Umkehrosmose oder der erweiterten Oxidation, gibt es auch zunehmende Möglichkeiten einer Mehrfachaufbereitung.

Bei der Dimensionierung einer Wasserrecyclinganlage ist auch zu berücksichtigen, zu welcher Tageszeit welche Wassermengen anfallen und auch verbraucht werden. Je nach Objekt können hier große Schwankungen auftreten. Die folgende Tagesganglinie verdeutlicht dies:

Tabelle: Prozentualer Anteil an Grauwasser über den Tag am Beispiel eines Wohngebäudes

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 Uhr 15
23 Uhr bis 6 Uhr 0

Schlammpumpe Dimensionierung

Schlammentsorgung innerhalb eines Tanks

Schlammpumpen sollten so angeordnet sein, dass möglichst keine Totzonen entstehen. Totzonen sind Flächen mit geringer Belüftung und Durchmischung.

Installation von Wasseraufbereitungssystemen

Anschluss der Wasseraufbereitungsanlage an die Sammelleitungen

Beispiel eines Schwerkraft-Grauwassersystems
Beispiel einer Hebeanalage

Einige Gebäude bieten die Möglichkeit, Wasseraufbereitungssysteme so zu installieren, dass das Sammeln des Wassers einfach durch die Schwerkraft ermöglicht wird. Die benötigte Rohrgröße kann wie unter Kapitel 3.1 berechnet werden.

Bei Gebäuden, bei denen das Rohwasser unterhalb des Wasser- Recyclingsystems anfällt, wird dieses über einen Schacht mit Hebepumpe gefördert.

Qualitätsanforderungen an Leitungssysteme

Bei Wasseraufbereitungsanlagen werden Rohrleitungen und Schläuche für das Betriebswasser sowie die Belüftung (Gebläse) benötigt. Die Vorschriften für Betriebswassersysteme erfordern, dass die Betriebswasserleitungen entweder farblich (lila im Fall von Australien und Kalifornien) oder mit Etiketten gekennzeichnet werden.

  • Die besten Erfahrungen für Installationen in den Speichern (Gebläseleitungen, Ansaugleitung bis zu dem Hauswasserwerk, Filtratleitungen) 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 Gebläseleitung ist der Druckverlust 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 im Auslegungspunkt bestimmt sich durch:

Nach:
Maximal erforderlicher Druck
Wasserstand über dem Lufteinlass
Druckverluste in Rohrleitungen

Gebläsetyp pges,max [mbar] pW,max [mbar] pV, max [mbar] ½“- max. Leitungslänge [m] 1“- max. Leitungslänge [m]
AL-BL30 130 110 20 66 --
AL-BL60 170 150 20 20 500
AL-BL100 200 180 20 -- 220
AL-BL120 200 180 20 -- 140
AL-BL200 200 180 20 -- 70

Tab.: Leitungsquerschnitte und maximale Leitungslängen bei AQUALOOP-Gebläsen

Be- und Entlüftung

Beispiel für die Belüftung von Schwerkraftleitungen in einem Gebäude zur Grauwasserrecycling.

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. TU Berlin, GW Recycling Vortrag 24.2.2004
  4. der Jahre 1993 bis 1997 in Siegen Forschungsstelle Wasserwirtschaft fwu Universität Siegen DIN 1989-1, Universität Oldenburg