In der Trinkwasseraufbereitung aktiv gegen Nitrat

Trinkglas: Bis das Wasser Gebrauchsqualität hat, durchläuft es im Wasserwerk mehrere Aufbereitungsverfahren. Dazu zählt, wenn nötig, die Entfernung von Nitrat. - Foto: TimDavidCollection/Adobe Stock

Die Belastung des Rohwassers mit Nitrat stellt die Wasserversorger vor wachsende Herausforderungen. Um die Grenzwerte im Trinkwasser einzuhalten, kommt das Mischen von Brunnenwässern infrage oder auch die Nitratentfernung. In diesem Beitrag werden drei solcher Verfahren erläutert.

Die zunehmende Verschmutzung des Grundwassers mit Nitrat erfordert eine immer aufwendigere Trinkwasseraufbereitung. Wichtig wäre, die Düngepraxis zu ändern. Wenn dies nicht gelingt, könnte das Trinkwasser nach Berechnung eines Gutachtens des Bundesverbandes der Energie und Wasserwirtschaft (BDEW) in einigen Regionen um bis zu 62 Prozent teurer werden. Es kann daher sein, dass die Verbraucher für die Folgen der industriellen Landwirtschaft geradestehen müssten.

Gegenmaßnahmen wie Brunnenverlagerung, Brunnenvertiefung oder Verschneiden – das Mischen von hoch belasteten mit gering belasteten Rohwässern – kosten viel und sorgen laut Umweltbundesamt nur für eine zeitliche Verschiebung des Problems. Als Alternative bietet sich die Nitratentfernung in der Wasseraufbereitung an. Im Folgenden werden verschiedene Verfahren vorgestellt.

Biologische Nitratentfernung

Der einzige Aufbereitungsprozess, bei dem Nitrat selektiv entfernt wird, ist die biologische Nitratentfernung (Denitrifikation), bekannt aus der Abwasserreinigung in Kläranlagen. Bei diesen Verfahren wandeln denitrifizierende Bakterien unter Zugabe von Chemikalien wie Wasserstoff (autotrophes Verfahren) oder Ethanol (heterotrophes Verfahren) sowie Phosphorsäure im Zuge ihres Stoffwechselprozesses Nitrat zu elementarem Stickstoff um. Diese Aufbereitungstechnik zur Nitratreduzierung ist im Betrieb oftmals schwierig zu handhaben und die Nachaufbereitung ist sehr aufwendig. Daher sind auch nur noch wenige Systeme dieser Art in Deutschland in Betrieb.

Membranentsalzung

Bei diesen Membranverfahren kommen in Deutschland überwiegend die Umkehrosmose (UO) und die Nanofiltration (NF) zum Einsatz. Die NF eignet sich aber aufgrund des teilweise schlechten Nitratrückhaltes nur bedingt zur nachhaltigen Entfernung von Nitrat. In den letzten Jahren haben sich sogenannte Niederdruck-Umkehrosmose-Membranen (Low Pressure Reverse Osmosis, LPRO) durchgesetzt. Bei der LPRO wird das salz-(nitrat)-haltige Wasser durch eine semipermeable Membran mit einem Druck von rund 7 bis 12 bar gepresst und in ein salzarmes Reinwasser (Permeat) sowie in ein stark salzhaltiges Abwasser (Konzentrat) aufgetrennt.

Damit es auf der Konzentratseite nicht zu irreversiblen Ausfällungen und damit zum frühzeitigen Wechsel der Membranen kommt, müssen dem Zulaufstrom permanent Chemikalien, sogenannte Antiscalants, zugegeben werden. Die meisten in Deutschland eingesetzten Antiscalants sind phosphorhaltig und erhöhen somit den Phosphorgehalt im Abwasser auf bis zu 1,5 Milligramm pro Liter Eine Einleitungserlaubnis in einen Vorfluter muss deshalb frühzeitig mit der zuständigen Behörde geklärt werden.

Bei routinemäßigen Laboruntersuchungen wurde bei einer LPRO in einem Wasserwerk in Niedersachsen festgestellt, dass im Permeat ein organischer Mikroschadstoff (AMPA: Aminomethyl-Phosphonsäure, Hauptabbauprodukt von Glyphosat) enthalten war, der aus dem dosierten Antiscalant stammte. Weitere Untersuchungen ergaben, dass einzelne Membranelemente einen kleinen Defekt aufwiesen, wodurch das Permeat in einem geringen Maße mit Rohwasser kontaminiert wurde. Der Defekt war allerdings so klein, dass dieser anhand der Leitfähigkeitsmesswerte nicht erkannt werden konnte.

Dies ist auch der Grund, warum das DVGW Arbeitsblatt W 236 „Nanofiltration und Niederdruckumkehrosmose in der zentralen Trinkwasseraufbereitung“ zwar im April 2014 als Gelbdruck erschienen ist, aber als Weißdruck bis heute noch nicht veröffentlicht wurde. Seitdem wird in mehreren Forschungsvorhaben sowohl die Reinheit der eingesetzten Antiscalants als auch ein zuverlässiges Monitoringkonzept zur eindeutigen Detektion eines Membrandefektes wissenschaftlich untersucht.

Ionenaustausch

Die dritte Methode basiert auf dem Prinzip des Ionenaustauschs. In Deutschland hat sich in der Praxis nur das „CARIX“-Verfahren (Carbon Dioxide Regenerated Ion Exchange Resins) des Umweltdienstleisters Veolia bewährt. In der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt, dient das Verfahren zur gleichzeitigen Entfernung der Kationen Calcium und Magnesium (Gesamthärte) und der der Anionen Hydrogenkarbonat, Sulfat, Nitrat und Chlorid sowie einiger Spurenstoffe mit kationischem oder anionischen Charakter wie etwa Uran oder sechswertiges Chrom.

Der wesentliche Vorteil des Verfahrens liegt in der Regeneration der Austauscher. Anstelle der herkömmlich eingesetzten Säuren, Laugen oder Kochsalzlösung wird als Regenerationsmittel Kohlenstoffdioxid eingesetzt. Durch die Wahl des Regenerationsmittels CO2 findet keine Aufsalzung im Reinwasser und Abwasser durch Chemikalien statt. Mit dem Abwasser fällt nur die Salzmenge an, die zuvor aus dem Rohwasser entfernt wurde. Beim Abwasser aus der Anlage handelt es sich um ein feststofffreies, mit Kohlensäure angereichertes „Mineralwasser“.

Verfahren im Vergleich

Interessant sind die Unterschiede zwischen dem Membran- und dem Ionenaustausch-Verfahren So sind der Raumbedarf als auch die Investitionskosten bei den Membran-Anlagen geringer, werden durch die deutlich niedrigeren Betriebskosten der Carix-Anlagen, insbesondere beim Energieverbrauch, wieder kompensiert. Der Energieverbrauch für die CO2-Rückgewinnung wurde in den vergangenen Jahren durch den Einsatz energieeffizienter Maschinen und Motoren sowie neuer Steuer- und Regelkonzepte um mehr als die Hälfte reduziert.

Der Bund fördert über ein Sonderdarlehen der KfW Bank Carix-Kunden insbesondere aufgrund der Energieeinsparung gegenüber der Umkehrosmose oder Nanofitration. Im Jahr 2017 genehmigte die KfW für den Bau von Carix-Anlagen Kredite in Höhe von insgesamt zwölf Millionen Euro.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass UO-Anlagen empfindlicher auf Verunreinigungen reagieren und in der Regel eine zuverlässige Voraufbereitung benötigen. Insbesondere bei einer vorgeschalteten Ultrafiltration mit erforderlicher Chlorspülung muss sichergestellt werden, dass das Zulaufwasser der Membran-Anlage absolut chlorfrei ist, die Membranen werden sonst oxidativ zerstört und müssen frühzeitig gewechselt werden.

Im Wasserwerksbetrieb spielt die hydraulische Flexibilität eines Verfahrens ebenfalls eine wichtige Rolle. Um sowohl die minimalen als auch die maximalen Tagesmengen aufbereiten zu können, muss der Aufbereitungsprozess einen relativ großen Durchsatzbereich ermöglichen. Die Carix-Filter können mit einer Geschwindigkeit von zwei bis zwölf Meter pro Stunde gefahren werden und sind somit hydraulisch sehr flexibel.

Da bei den LPRO-Membranen relativ konstante Überströmungsverhältnisse vorliegen müssen, ist auch der Durchsatzbereich eingeschränkt. Der sogenannte Membranflux liegt üblicherweise zwischen 20 und 25 Liter/(m2 x h). Aus diesem Grund sollten die LPRO-Anlagen auch stets mehrstraßig konzipiert werden. Ein zu langer Anlagenstillstand (mehr als 24 Sunden) ist bei den Membranentsalzungsanlagen zu vermeiden.

Während Anwender Membranmodule in der Regel nach etwa fünf Jahren austauschen müssen, halten die Ionenaustausch-Harze von Carix-Anlagen üblicherweise mehrere Jahrzehnte. So befindet sich die älteste Anlage bereits seit über 34 Jahren mit den Ursprungsharzen im ununterbrochenen Dauereinsatz.

Die Umkehrosmose hat sich bereits in den 1960er-Jahren bei der Meerwasserentsalzung bewährt, bei der wegen des hohen Salzgehaltes mit einem Betriebsdruck von 70 bar gearbeitet wird. Mit Ausnahme einiger weniger Wasserwerke werden die Membrananlagen zur Entsalzung von Trinkwasser erst ab etwa 2006 vermehrt eingesetzt. Langzeitbetriebserfahrungen über mehrere Jahrzehnte für die Trinkwasseraufbereitung liegen somit noch nicht vor.

Nach Angaben des Anbieters befinden sich 19 Carix-Anlagen mit Durchsätzen von 20 bis 600 Kubikmeter pro Stunde im Einsatz, weitere zwei sind derzeit im Bau. Seit 1954 betreibt zum Beispiel der Zweckverband Wasserversorgungsgruppe Mühlbach in Bad Rappenau (Baden-Württemberg) eine Anlage (170 m3/h), die ohne Voraufbereitung Nitrat, Sulfat und Härte entfernt. Die Anlage läuft noch immer mit den ersten Ionenaustauscherharzen.

Uwe Sauer

Der Autor
Uwe Sauer ist Leiter im Vertrieb Kommunale Trinkwasserversorgung bei Veolia Water Technologies Deutschland am Standort Bayreuth