DE19717579A1 - Verfahren zum Bereitstellen von desinfiziertem Wasser in einem Vorratstank - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Systeme zur Bevorratung und kontinuierlichen Bereit­ stellung von Wasser mit Trinkwasserqualität werden als immobile Anlagen sowie insbesondere auch als mo­ bile Anlagen in Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen eingesetzt. Die Bevorratung von Wasser in diesen Sy­ stemen erfolgt entweder zum Zwecke der Grundversor­ gung von Personal und/oder Passagieren oder sie dient der Pufferung von Verbrauchsspitzen bzw. als Notre­ serve. Die Befüllung des Vorratstanks eines derarti­ gen Systems erfolgt üblicherweise durch zeitweiligen Anschluß an ein zentrales Trinkwassersystem oder durch Betanken aus einer mobilen Versorgungseinheit.

Die Gefahr einer hygienischen Beeinträchtigung des in derartigen Vorratssystemen gehaltenen Wassers resul­ tiert im wesentlichen aus zwei Quellen:
Einerseits kann das aufzunehmende Wasser bereits in einem solchen Maße keimbelastet sein, daß es a priori keine Trinkwasserqualität aufweist oder während der Bevorratung durch weiteres Aufkeimen sehr schnell in einen solchen Zustand gerät. Andererseits stellen der Vorratstank und die damit verbundene Leitungsanlage selbst einschließlich der Ausflußarmaturen an den Verbrauchsstellen ein Potential für mikrobielle Kon­ taminationen des Wassers dar. Die wasserführenden und -kontaktierten Oberflächen des gesamten Versorgungs­ systems sind als Besiedelungsareale für Mikroorganis­ men und damit für die Ausbildung von Biofilmen wirk­ sam. Diese haben ihre Ursache in dem Keimeintrag über das aufgenommene Wasser bzw. in luftgängigen Keimen, die über Be- bzw. Entlüftungsventile und sonstige Öffnungen in das Leitungssystem gelangen. Ihr Wachs­ tum wird von solchen Faktoren wie Gehalt des Wassers an bioverfügbaren mineralischen und organischen In­ haltsstoffen, Temperatur, Fließgeschwindigkeit des Wassers, Sauerstoffgehalt usw. mehr oder weniger be­ günstigt. Bemerkenswert ist, daß bereits außerordent­ lich geringe Keimbelastungen des aufgenommenen Was­ sers innerhalb von Wochen und Monaten zur Ausbildung von Biofilmen führen.

Es hat sich erwiesen, daß derartige Biofilme die Exi­ stenz- und Vermehrungsgrundlage auch pathogener Keime darstellen können, die zu einer gesundheitsgefährden­ den Belastung des Wassers mit Kraftheitserregern füh­ ren. Als die menschliche Gesundheit gefährdend und letztlich sogar lebensbedrohend sind besonders die im Wasser sehr gut vermehrungsfähigen Spezies hervorzu­ heben, wie Legionella pneumophila, Pseudomonas aeru­ ginosa, Aeromona hydrophila und atypische Mycobakte­ rien. Damit sind die Biofilme im wasserführenden Sy­ stem selbst als die gefährlichste Quelle möglicher Infektionen zu bewerten. Ihre Vermeidung bzw. regel­ mäßige Beseitigung ist zur Gewährleistung gleichblei­ bender Trinkwasserqualität unumgänglich, stößt jedoch in der Praxis auf vielerlei Schwierigkeiten. Eine direkte Kontrolle des Aufwachsens von Biofilmen auf den wasserkontaktierten Oberflächen des Leitungssy­ stems und dessen aktuellen Virulenzgrades ist derzeit nicht möglich. Eine prophylaktische Stoßdesinfektion des gesamten Systems, die in definierten Intervallen durchgeführt wird, kann zwar momentan die Hygienequa­ lität des Wassers sichern, bietet jedoch keinen Schutz vor der Rückbildung des Biofilmes im Wasser­ versorgungssystem. Da die Installation einer Chlorungseinrichtung für die kontinuierliche chemi­ sche Desinfektion in der Regel aus konstruktiven, sicherheitstechnischen und weiteren Gründen ausge­ schlossen ist, bleibt vielfach nur eine entsprechend hohe Chlordosierung zum Zeitpunkt der Wasserübernah­ me. Wegen des unvermeidbaren Chlorabbaues durch Was­ serinhaltsstoffe, Gefäß-, Leitungs- und Armaturmate­ rialien und dgl. ist diese Desinfektionsvorsorge je­ doch nur kurzzeitig wirksam, von Korrosionsschäden und anderen Schäden an den Installationen sowie der Bildung gesundheitsschädlicher chlorierter Folepro­ dukte abgesehen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bereitstellen von desinfiziertem Wasser in einem Vorratstank, dem über mindestens eine Zuleitung mikrobiell kontaminiertes Wasser zuführbar ist und an den mindestens eine Verbrauchsstelle zur Abnahme von desinfiziertem Wasser angeschlossen ist, anzugeben, welches unter Vermeidung einer Beeinträch­ tigung der Wasserqualität eine sichere Desinfektion während der gesamten Betriebsdauer gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Um auszuschließen, daß mikrobiell kontaminiertes Was­ ser in das autarke Wasserversorgungssystem gelangt, ist bereits bei der Befüllung des Vorratstanks eine Grunddesinfektion des Wassers erforderlich. Diese Funktion übernimmt ein mit speziellen UV-Strahlern bestückter Durchflußreaktor, ein sogenannter UV-Des­ infektor, dessen Wirkung auf folgenden Grundlagen beruht:
Das von einem Quecksilber-Niederdruck-Strahler emit­ tierte UV-Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm wird von Zellmembran-Bausteinen der Mikroorganismen, von Plasma-Bestandteilen und ganz besonders von den Nu­ cleinsäuren intensiv absorbiert. Die hierdurch aufge­ nommene Energie löst photochemische Reaktionen aus, die die Lebens- und Vermehrungsfähigkeit der Mikroor­ ganismen unterbinden. Es wurde ermittelt, daß für eine mehrere Zehnerpotenzen umfassende Inhibierungs­ rate ein Energieeintrag in das zu desinfizierende Wasser mittels der selektiven Wellenlänge von 254 nm von mindestens 400 J/m² erforderlich ist. Dies bedeu­ tet, daß zur Gewährleistung der hygienischen Sicher­ heit die UV-Desinfektoren so ausgelegt sein müssen, daß jedes Volumenelement des durchfließenden Wassers während seiner Aufenthaltsdauer im Strahlungsfeld der spezifischen photonischen Energie von ≧ 400 J/m² aus­ gesetzt ist. Mittels eines auf diese Raumbestrahlung kalibrierten Sensors ist die hygienisch sichere Ar­ beitsweise des UV-Desinfektors zu überwachen.

Die Besonderheiten und Vorteile der Wasserdesinfek­ tion mittels UV-Strahlung bestehen in der spezifi­ schen dosisgeregelten hygienischen Sicherheit, mit der Mikroorganismen und Dauerformen momentan (also ohne Retard-Wirkung) inhibiert werden, sowie darin, daß die Desinfektion ohne jeden Chemikalien-Eintrag erfolgt und folglich keine sensorische Beeinflussung der Wasserqualität, keine chemischen Folgeprodukte und keine korrodierenden Wirkungen verursacht werden. Beschränkend für die desinfizierende Behandlung von Wasser für Transport- und Speicherzwecke ist, daß mit der UV-Strahlung zwar eine augenblickliche sichere Abtötung der Mikroorganismen erfolgt, dem Wasser da­ mit aber kein Schutz vor Re- und Neuinfektion gegeben wird. Dieses Fehlen jeglicher Desinfektionsvorhalte ist für Versorgungsanlagen mit einer Wasserbevorra­ tung ein beachtliches hygienisches Risiko.

Zu dessen Ausschaltung wird erfindungsgemäß ein Des­ infektor mit Langzeitwirkung, insbesondere eine elek­ trochemische Zelle als Modul für die elektrolytische Desinfektion in die Anlage eingebunden. Auch diese Zelle kann als Durchflußreaktor ausgelegt sein, be­ stehend aus einer Reaktorkammer aus Glas, Keramik, Metall oder Polymermaterial, die mit Elektroden aus speziell oxidbeschichtetem Titan-Streckmetall sowie Ein- und Auslaßstutzen für das zu behandelnde Wasser bestückt ist. Sie entfaltet ihre Desinfektionslei­ stung ohne Zusatz wasserfremder Stoffe, ohne Änderung der Stoffbelanz des zu behandelnden Wassers und frei von Einflüssen auf die sensorischen oder sonstigen Eigenschaften desselben. Diese elektrochemische Zelle wird vorzugsweise mit einer Gleichspannung von 5 bis 24 V und einer Stromstärke von 5 bis 10 A betrieben und hat folgende Funktionsweise:
Wasser und seine nativ enthaltenen mineralischen In­ haltsstoffe wie Chlorid- und Sulfat-relevante Katio­ nen u. dgl. werden an den speziell präparierten Elek­ troden elektrolytisch zersetzt bzw. oxidiert (Anode) oder reduziert (Katode). An der Anode werden infolge elektrochemischer Oxidation aus Chloridionen elemen­ tares Chlor und in einer Folgereaktion daraus unter­ chlorige Säure, aus Wasser elementarer Sauerstoff, in Mindermengen Ozon und aus weiteren Wasserinhaltsstof­ fen entsprechende Oxidationsprodukte gebildet, die schon als Einzelstoffe eine starke Desinfektionswir­ kung besitzen, jedoch in ihrer Summe eine synerge­ tisch wesentlich verstärkte Keimtötung bewirken. Als Leitparameter für den Betrieb und die Steuerung der elektrochemischen Zelle dient der Wert der Chloridio­ nen-Konzentration im Wasser, der den Grenzwert von 20 mg/dm³ nicht unterschreiten sollte. Hieraus werden elementares Chlor bzw. unterchlorige Säure erzeugt, deren Konzentration, gemessen als Wert für "freies Chlor", als Äquivalent und zur Kontrolle für die er­ zeugte Desinfektionsleistung dient. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, nur einen relativ geringen Teil des gespeicherten Wassers in einer Bypass- oder Zir­ kulationsleitung einer intensiven elektrolytischen Behandlung zu unterziehen und danach in den Vorrats­ tank zurückzuführen. Damit ist es möglich, im Bypass soviel Desinfizienz zu erzeugen, daß selbst bei einer Verdünnung mit dem Wasser im Vorratstank im Verhält­ nis 1 : 200 die erforderliche Depotwirkung an Desin­ fektion erzielt werden kann. Diese Betriebsweise empfiehlt sich besonders, wenn große Speichervolumina zu behandeln sind. Infolge desinfizienzabbauender chemischer Vorgänge sinkt diese Depotwirkung zeitab­ hängig, wobei die ursprünglichen nativen Prekursoren wie Chlorid u. dgl. zurückgebildet werden. Um dennoch im gesamten Füllwasser der Wasservorratsanlage stets die ein Aufwachsen von Biofilmen bzw. die Lebenstä­ tigkeit von Mikroorganismen verhindernde Konzentra­ tion an desinfizierend wirkenden, elektrolytisch er­ zeugten Spezies aufrechtzuerhalten, wird über die Zirkulationsleitung eine geregelte Menge des Füllwas­ sers kontinuierlich durch die Elektrolysezelle ge­ führt und regenerierend mit Desinfizienz ausgestattet. Um eine Überladung des Füllwassers mit Desinfizienz - ins­ besondere mit elektrolytisch erzeugtem Elementar­ chlor bzw. unterchloriger Säure - auszuschließen, wird der Betrieb der Elektrolysezelle über eine Meß­ sonde für "freies Chlor" geregelt. Übersteigt dieser Meßwert eine voreingestellte Größe, beispielsweise 0,3 mg/dm³, so wird die Elektrolyse abgeschaltet; sinkt dieser Wert beispielsweise unter 0,1 mg/dm³, wird sie wieder zugeschaltet. Damit ist das gesamte Füllwasser jederzeit in der für Trinkwasser erforder­ lichen hygienischen Qualität verfügbar und jegliches Aufwachsen von Mikroorganismen sowie von Biofilmen wird verhindert.

Wird Wasser mit einer extrem niedrigen Chloridkonzen­ tration aufgenommen, z. B. ≦ 20 mg/dm³, so kann durch Zudosieren von Kochsalz bereits beim Füllen des Vor­ ratstanks die prozeßgerechte Chloridkonzentration eingestellt werden. Für die Steuerung dieser Konzen­ trationskorrektur kann eine chloridsensitive Elektro­ de eingesetzt werden.

Damit im Falle der Befüllung des Systems mit sehr hartem Wasser das Absetzen von Kalkablagerungen auf der Katode die Funktionstüchtigkeit der Elektrolyse­ zelle nicht beeinträchtigt, wird die Polarität der an die Elektroden angelegten Gleichspannung in regelmä­ ßigen Intervallen, z. B. in stündlichem Rhythmus, ge­ wechselt.

Auf dieser Grundlage arbeitende elektrolytische Des­ infektoren gewährleisten unter normalen Bedingungen die Aufrechterhaltung des mittels UV-Desinfektion beim Befüllen der Anlage hergestellten Hygienezustan­ des des Wassers in Trinkwasserqualität über die ge­ samte Betriebszeit einer autarken Wasserversorgungs­ anlage und verhindern eine Ausbildung von Biofilmen auf wasserkontaktierten Oberflächen des Leitungs- und Behältersystems.

Sowohl die UV-Desinfektoren als auch die elektrolyti­ schen Desinfektoren haben einen geringen Platz- und Raumbedarf und können bequem in jedes existierende Wasserversorgungssystem nachgerüstet werden. Weiter­ hin benötigen sie einen äußerst minimalen Wartungs­ aufwand und sind mit ihrer Stromversorgung und ihrem Regelungsverhalten in vorhandene Regel- und Leittech­ niken integrierbar. Sie sind damit in entsprechender Dimensionierung und Kombination geeignet, die autar­ ken Wasserversorgungssysteme von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen beliebiger Größe und Komfortabilität zuverlässig und sicher zu desinfizieren und den je­ weiligen Nutzern Wasser in Trinkwasserqualität bereitzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert. Diese zeigt das Schema eines Systems zur Bevor­ ratung und Bereitstellung von Trinkwasser.

Eine zum Befüllen des Systems beispielsweise an ein Trinkwassernetz oder ein Tankfahrzeug koppelbare, mit einem Rückschlagventil 1 und einem Regelventil 2 ver­ sehene Zuführleitung 3 ist an einen UV-Desinfektor 4 angeschlossen. Der UV-Desinfektor 4 hat eine Raumbe­ strahlung von mindestens 400 J/m² und tötet daher alle organischen Keime im durchströmenden Wasser ab.

Über ein weiteres Regelventil 5 ist der UV-Desinfek­ tor 4 mit einem Wasservorratstank 6 verbunden. In diesem wird aus dem Trinkwassernetz über den UV-Des­ infektor 4 zugeführtes Wasser in einer solchen Menge gespeichert, daß eine autarke Versorgung von ange­ schlossenen Verbrauchern 7 über einen vorgegebenen Zeitraum möglich ist. Die Verbraucher 7 sind an eine Zirkulationsleitung 8 angeschlossen, die durch eine von einem Motor 9 angetriebene Pumpe 10 mit Wasser aus dem Vorratstank 6 versorgt wird. Das durch die Zirkulationsleitung 8 strömende, nicht von den Ver­ brauchern 7 abgenommene Wasser passiert einen elek­ trolytischen Desinfektor 11 und wird dann wieder in den Vorratstank 6 zurückgeleitet. Der elektrolytische Desinfektor 11 erzeugt in der beschriebenen Weise elementares Chlor bzw. unterchlorige Säure, die als Desinfektionsmittel zusammen mit dem zurückgeführten Wasser in den Vorratstank 6 geleitet werden und dort mit Langzeitwirkung jede Keimbildung unterdrücken.

An die Zirkulationsleitung 8 vor und hinter den Ver­ brauchern 7 angeschlossene Meßgeräte 12 und 13 erfas­ sen die Konzentration von "freiem Chlor" im Wasser Fällt diese Konzentration unter einen bestimmten Wert, so wird die Wasserzirkulation bzw. der elektro­ lytische Desinfektor 11 eingeschaltet; steigt dann die Konzentration über einen vorbestimmten oberen Grenzwert, wird die Zirkulation wieder unterbrochen bzw. der elektrolytische Desinfektor 11 wieder ausge­ schaltet. Auf diese Weise kann jede Keimbildung in dem Vorratstank 6 über einen beliebigen Zeitraum un­ terdrückt werden.

Die Zirkulationsleitung 8 enthält zum Regulieren des Wasserkreislaufes sowie zu Wartungszwecken Regelven­ tile 14 bis 17 sowie ein Rückschlagventil 18.

Weiterhin befinden sich in der Zuführleitung 3 eine Kupplung 19 sowie eine Dosierstation 20 für die gege­ benenfalls erforderliche Zugabe von Kochsalzlösung.

Claims (11)

1. Verfahren zum Bereitstellen von desinfiziertem Wasser in einem Vorratstank, dem über mindestens eine Zuleitung mikrobiell kontaminiertes Wasser zuführbar ist und an dem mindestens eine Ver­ brauchsstelle zur Abnahme von desinfiziertem Wasser angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mikrobiell kontaminierte Wasser vor der Einleitung in den Vorratstank in der Zuleitung einer Desinfektionsbehandlung mit Kurzzeitwir­ kung und das Wasser im Vorratstank einer Desin­ fektionsbehandlung mit Langzeitwirkung unterzo­ gen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Desinfektions­ behandlung mit Kurzzeitwirkung durch eine UV- Bestrahlung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktinische UV- Strahlung eine Wellenlänge von etwa 254 nm hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der UV- Strahlung ≧ 400 J/m² für jedes Volumenelement des durch die Zuleitung fließenden Wassers ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Langzeitwirkung der Desinfektionsbehandlung mindestens einige Stunden andauert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Desinfektions­ behandlung mit Langzeitwirkung eine elektrolyti­ sche Behandlung ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des im Vor­ ratstank befindlichen Wassers aus diesem entnom­ men, der Desinfektionsbehandlung mit Langzeit­ wirkung unterzogen und anschließend wieder in den Vorratstank zurückgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Desinfektions­ behandlung mit Langzeitwirkung in Abhängigkeit von der Menge der elektrolytisch aus den natür­ lichen Wasserinhaltsstoffen generierten, im Was­ ser des Vorratstanks vorhandenen desinfizieren­ den Substanzen geregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Desinfektions­ behandlung mit Langzeitwirkung in Abhängigkeit von der Menge des im Wasser des Vorratstanks vorhandenen freien Chlors geregelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser im Vor­ ratstank im Bedarfsfalle vor der Desinfektions­ behandlung mit Langzeitwirkung Kochsalzlösung (Sole) zudosiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrolytische Behandlung mit Gleichstrom durchgeführt und die­ ser zur Verhinderung von Kalkablagerungen auf den Elektroden in geeigneten Zeitabständen umge­ polt wird.