Fachartikel lesen - wwt-Aktuell

TRINKWASSER Aufbereitung
Stadtwerke Dinslaken
Nanofiltrationsanlage
sichert Qualität
Dr. Thomas GÖTZ; Dipl.-Ing. Michael HÖRSKEN
Inbetriebnahme im Teillastbetrieb:
Das Nanofiltrationsverfahren im Wasserwerk Löhnen –
größte kommunal genutzte Anlage Deutschlands.
Zur Sicherstellung der Wasserversorgung
der Stadt Dinslaken betreibt die
Wasserwerke Dinslaken GmbH seit
1961 im Mehrumer Rheinbogen, in einer
Entfernung von ca. 1,5 bis 4 km zum Rhein,
das Wasserwerk Löhnen (Bild 1). Im Jahr
1989 wurde die Wassergewinnung Löhnen
I, bestehend aus 6 Vertikalbrunnen mit starr
betriebenen Pumpen (je 150 m3/h), durch die
Gewinnungsanlagen Löhnen II (3 drehzahlgeregelte
Pumpen mit je 50 bis 150 m3/h)
ergänzt. Seit der Erweiterung der Aufbereitungsanlagen
im Jahr 2003 auf zwei Schnell -
entkarbonisierungs-Reaktoren mit 6 nachgeschalteten
Trübstofffiltern hat die Anlage
eine Aufbereitungskapazität von 1.100 m3/h;
die Mindestaufbereitungsmenge beträgt
400 m3/h. Gemäß der bestehenden wasserrechtlichen
Erlaubnis dürfen aus beiden Gewinnungsanlagen
insgesamt 6,2 Mio. m3/a
gefördert werden. Der höchste tägliche Trinkwasserbedarf
liegt bei 19.000 m3/d.
Eintrag von Spurenstoffen
vermeiden
Bedingt durch die seit vielen Jahren auftretenden
bergbaulichen Einwirkungen
durch den Steinkohlebergbau im Bergwerk
Walsum, wurde auch das Wasserwerk mit
den Gewinnungsanlagen um einige Meter
abgesenkt. Um die Grundwasserflurabstände
halten zu können, betreibt der Lippeverband
mehrere Polderanlagen. Das geförderte
Grundwasser wird über entsprechende
Leitungen in den Rhein eingeleitet.
Vor diesem Hintergrund wird es infolge der
Infiltration des Rheinwassers in absehbarer
Zeit zum Eintrag von anthropogenen Spurenstoffen
in die beiden Brunnengalerien
kommen.
Größte kommunale
Nanofiltrationsanlage
Um die Trinkwasserqualität der Stadt Dinslaken
zu erhalten, wurden mehrere Alternativen
untersucht. Als Ergebnis dieser Untersuchungen
erwies sich eine Nanofiltrationsanlage
als die geeignetste Lösung. Eine
entsprechende Anlage wurde umgehend ge-
WASSERWERK LÖHNEN: Bild 1
im Hintergrund die neue Halle für die Nanofiltration
plant und bis zum Frühsommer 2009 errichtet.
Der finale Rohrleitungsumschluss am
WW-Löhnen erfolgte am 9. 6. 2009. Mit
diesem Umschluss wurde Deutschlands
größte Nanofiltrationsanlage im Bereich der
kommunalen Trinkwasseraufbereitung in
Betrieb genommen, eine der modernsten
Aufbereitungsanlagen Europas.
Bei der Nanofiltrationstechnik handelt es
sich um ein druckbetriebenes Membranverfahren.
Dem zu behandelnden Rohwasser
werden hierbei Inhaltsstoffe wie Salze und
relevante Störstoffe entzogen. Das die Membran
durchdringende und dadurch gereinigte
Wasser bezeichnet man als Permeat, das über
die Membranoberfläche abfließende und mit
den zurückgehaltenen Stoffen aufkonzentrierte
Wasser wird Konzentrat genannt.
Hohes Rückhaltevermögen
Das Rückhaltevermögen der Wasserinhaltsstoffe
wird durch den eingesetzten Membrantyp
bestimmt. Im Wasserwerk Löhnen
wurden Polyamid-Membranelemente des
Typs TMH20-430 der Firma Toray installiert.
Dieser Modultyp zeigte in einer durch
das Rheinisch-Westfälische Institut für Wasser
(IWW) durchgeführten Pilotstudie, in
der 3 unterschiedliche Membrantypen getestet
wurden, das für das künftig zu erwartende
Rohwasser beste Rückhaltevermögen,
welches durchaus Werte von Umkehrosmosemembranen
erreicht. Da hierzu jedoch lediglich
ein Feeddruck von wenig mehr als 8
bar nötig ist, spricht man auch von Niederdruck-Umkehrosmosemembranen.
Die Salzrückhaltung
der ausgewählten Membran
liegt bei 99,3 %.
Für die nötige Aufbereitungsleistung von
1.100 m3/h wurden 11 Straßen mit je 110 m3/h
errichtet, wobei eine Straße als Reserve vorgehalten
wird. Eine Straße setzt sich jeweils
aus der drehzahlgeregelten Feedpumpe
(Q = 110 m3/h; P el = je 46,8 kW), zwei in
Reihe geschalteten Vorfiltern mit einer Feinheit
von 5 μm und 1 μm sowie dem 2-stufigen
Nanofiltrationsblock zusammen. An
jedem Block werden 15 Druckrohre miteinander
verschaltet, 10 parallel als erste Stufe
und 5 parallel als zweite Stufe, wobei das
Konzentrat der ersten Stufe als Feed auf die
zweite Stufe geführt wird. Dadurch lässt sich
30 11–12/2010

das anfallende Konzentrat noch einmal deutlich
reduzieren. Jedes Druckrohr ist mit
6 semipermeablen Wickel-Membranelementen
bestückt. Dadurch wird je Block eine
Membranfläche von 3.600 m2 erreicht. Die
Permeat-Gesamtausbeute liegt zwischen
80 und 85 % und somit zwischen 880 und
935 m3/h im Volllastbetrieb.
Belastungen des
Rohwassers untersucht
Im Vorfeld der Neuausrichtung der Wasseraufbereitung
waren Worst-Case-Szenarien
angestellt worden, die innerhalb eines mehrjährigen
Monitorings die befürchtete Erhöhung
gesundheitlich problematischer Chemikalien
beleuchten sollten. Es ging vor
allem um das Auftreten polycyclisch-aromatischer
Kohlenwasserstoffe (PAK), PBSM
(Schädlingsbekämpfungsmittel), pharmazeutischer
Wirkstoffe, Röntgenkontrastmittel,
Antibiotika, endokrin wirksamer Phenolderivate
und Industriechemikalien.
Das umfangreiche Monitoring zeigt bisher
Belastungen des Rohwassers mit EDTA sowie
erste Hinweise auf Amidotrizoesäure.
Die Konzentrationen liegen aber noch unterhalb
des festgelegten „Warnwertes“ und
schwanken im Jahresverlauf.
Aufbereitung
VERFAHRENSSCHEMA: Bild 2
Aufbereitungskonzept im Teillastbetrieb
Grafik: Ingenieurbüro Wetzel & Partner Moers

TRINKWASSER Aufbereitung
Die Nanofiltrationsanlage im Wasserwerk Löhnen Bild 3 Bestückung mit den Filtermodulen Bild 5
Ein einzelnes
Membranmodul Bild 4
Teillastbetrieb der
Membrananlage
Aufgrund dieser Sachlage wurde nach
Abwägung aller Vor- und Nachteile die einvernehmliche
Entscheidung getroffen, die
Nanofiltrationsanlage im ersten Schritt in
einen Teillastbetrieb zu nehmen (Bilder 2
bis 5). Dies bedeutet, dass lediglich ein Teilstrom
(51,5 %) des Rohwassers über die
Membrananlage aufbereitet wird. Der zweite
Rohwasserteilstrom wird dem Permeat aus
der Nanofiltrationsanlage zugemischt, bevor
dieses kohlendioxidhaltige, stark kalk -
lösende Mischwasser aus Permeat und Rohwasser
anschließend gemeinsam mittels der
im Bestand vorhandenen Riesleranlage entsäuert
wird.
Zum Zweck der chemischen Restentsäuerung
wird, in Abhängigkeit vom Trinkwasserstrom
in den hohen Aufbereitungsstufen und der
Kohlensäurekonzentration am Ausgang der
Riesleranlage, Natronlauge in geringer
Dosierung zugegeben, damit das Trinkwasser
hinsichtlich des Calcitlösevermögens die
Parameter der Trinkwasserverordnung jederzeit
sicher einhält. Die permanente ph-Wert-
Messung dient zur Überwachung und ggf.
Korrektur der Natronlaugendosierung.
Eine Aufhärtung des Mischwassers über
dolomitisches Gestein, mit dem die sechs
ehemaligen bereits im Altbestand vorhandenen
Trübstofffilter später bei Vollstromaufbereitung
befüllt werden, ist noch nicht
erforderlich, da die Zielhärte von 12°dH
durch das Mischen das harten Rohwassers
mit dem enthärteten Permeat erreicht wird.
Einspeisung in die
Transportleitung
Nachdem das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
im Teillastbetrieb hergestellt wurde,
gelangt das Wasser in die beiden Vorlagebehälter,
bevor es über das nachgeschaltete
Trinkwasserpumpwerk in die Transport -
leitung eingespeist und über die Drucker -
höhungsanlage „Dinslakener Straße“ der
Druckzone 1 des Versorgungsnetzes der
Stadtwerke Dinslaken zugeführt wird. Das
anfallende Konzentrat (132 m3/h = 37 l/s
im Teillastbetrieb und bis zu 220 m3/h bei
Vollstromaufbereitung) wird in den entsprechenden
Behältern (2 × 100 m3) gesammelt
und über das nachgeschaltete Pumpwerk
gemeinsam mit dem Niederschlagswasser
aus dem künstlichen Versickerungsteich
über eine neu verlegte Leitung DA 315
PEHD der Polderwasserleitung des Lippeverbandes
zugeführt. Aufgrund der dort
stattfindenden Vermischung mit den Polder-
wässern und der damit verbundenen massiven
Verdünnung wurde der Wasserwerke
Dinslaken GmbH die Genehmigung zur
Einleitung des Konzentrats über die Polderwasserleitung
und den Vorlandmommbach
in den Rhein erteilt. Auf dem Wasserwerksgelände
werden zur Überwachung der Konzentratzusammensetzung
einige Parameter
kontinuierlich gemessen.
Korrosion verhindern
Um negative Auswirkungen der korrosionsfördernden
Inhaltsstoffe des Trinkwassers
auf die Deckschichten der im Rohrnetz
verlegten Guss- und Stahlrohre zu verhindern,
wird am Wasserwerksausgang vorübergehend
präventiv ein geeigneter Inhibitor
(Mischung aus ca. 75 % Orthophosphat und
ca. 25 % Polyphosphat) in einer Konzentration
von 4 mg/l zudosiert. Seit Juni 2008
werden an einem eigens dafür durch das das
Rheinisch-Westfälische Institut für Wasser
(IWW) konzipierten Versuchsaufbau sehr
weitgehende und umfangreiche Korrosions-
Untersuchungen durchgeführt. Mit einem
endgültigen Ergebnis ist aufgrund mehrerer
Umstellungen von ehemals entcarbonisiertem
Wasser auf Mischwasser und von Mischwasser
auf nanofiltriertes, aufgehärtetes
Wasser erst Ende 2010 zu rechnen. Als weitere
Präventivmaßnahme wurde im Vorfeld
der Inbetriebnahme der Nanofiltrationsanlage
das gesamte Rohrnetz (= 244 km) des
Versorgungsgebiets der Stadtwerke Dinslaken
GmbH in einem Zeitraum von 3 Monaten
gespült und damit von mobilisierbaren
Ablagerungen befreit. Zur Anwendung kam
hierbei das Saugspülverfahren.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt,
dass auch im Teillastbetrieb bei Bedarf die
vorhandene Chlordioxidanlage zur Desinfektion
des Trinkwassers zur Verfügung steht.
32 11–12/2010

Abgestimmte Betriebszyklen
Bedingt durch die geänderte Betriebsart „Einfahrbetrieb
in Teillast“, werden nicht alle
11 Blöcke permanent bzw. wechselweise
benötigt. Die Schaltspiele wären bedingt
dadurch, dass ein Block jeweils maximal
24 Stunden außer Betrieb sein darf ohne konserviert
zu werden, zu hoch. Gemäß dem
aktuellen mit Firma Toray abgestimmten
Betriebszyklenplan bleiben planmäßig außer
Betrieb befindliche Module jeweils 3 Monate
in Konservierung, bevor sie nach Durchlaufen
des Spülprogramms wieder ans Netz genommen
werden. Die Konservierung eines
Moduls erfolgt durch das Befüllen mit einer
sauerstoffzehrenden Natriumbisulfit-Lösung.
Stagnationsbereiche können auch bei nanofiltriertem
Wasser (Permeat) bakteriologisch
relevant werden. Um ein Aufkeimen des Wassers
in der Permeatsammelleitung zu verhindern,
wird der Block 11, der sich am Ende
der Sammelleitung befindet, dauerhaft betrieben.
Darüber hinaus befinden sich jeweils
5 Blöcke in wechselweisem Betrieb und
5 Blöcke über 3 Monate in Konservierung.
Monitoring der Blöcke
Das Monitoring der einzelnen Blöcke erfolgt
über das TorayTrak-Tool. Bislang zeigt sich
im Ergebnis, dass die einzelnen Module sich
über den gesamten Betriebszeitraum bis zur
ersten Konservierung hinsichtlich der erfassten
Parameter sukzessiv verbessert und mittlerweile
einen konstanten Betriebszustand
erreicht haben. Anerkannte Indikatoren für
einen Defekt der Membran sind die Überschreitung
der garantierten Eingangs- und
Transmembrandrücke sowie eine erhöhte
Leitfähigkeit des Permeats. Im Rahmen der
Inbetriebnahme der Membrananlage wurden
so genannte „Referenzwerte“ für verschiedene
Prozessparameter ermittelt. Aus diesen
Referenzwerten konnte zu Betriebsbeginn,
im Hinblick auf die Rückhaltefähigkeit der
Membranen abgeleitet werden, ob diese voll
funktionsfähig sind. Die Referenzwerte
bilden darüber hinaus die Grundlage für die
Bestimmung der „normalisierten Prozessparameter“,
die zur langfristigen Beurteilung
des Membranzustandes notwendig sind. Um
ein Verblocken (Scaling) der Membran -
elemente während des Betriebs zu verhindern,
wird das Rohwasser entsprechend
konditioniert indem vor den Feedpumpen
ein Antiscalant zudosiert wird.
Fällt die Leistung der Membranen eines
Blocks ab, so muss eine Reinigung durchgeführt
werden. Eine automatische Bewertung
der erfassten Parameter hinsichtlich des optimalen
Reinigungszeitpunkts im Prozessleitsystem
erfolgt nicht. Es ist Aufgabe des Betriebspersonals
die Prozessdaten im TorayTrak
zu überwachen. Lediglich bei Grenzwertüberschreitungen
wird eine automatische Störmeldung
abgesetzt. Für die Membrananlage im
Wasserwerk Löhnen sind drei Reinigungsarten
vorgesehen, die Reinigung ohne Zusatz von
Chemikalien bzw. die saure Reinigung oder
die alkalische Reinigung.
Energieversorgung des
Wasserwerks
Das Wasserwerk Löhnen wird über zwei
10-kV-Einspeisungen mit elektrischer Energie
versorgt, jedoch können nur über eine
Einspeisung die im Volllastbetrieb benötigten
2.000 kVA bezogen werden. Über die zweite
Zuleitung werden lediglich 700 kVA gesichert
zur Verfügung gestellt. Vor diesem
Hintergrund und der Tatsache, dass die
Membrananlage über eine Vielzahl von
Frequenzumformern betrieben wird, wurden
2 luftgekühlte Notstromaggregate mit einer
Leistung von je 1.450 kVA installiert.
Dadurch ist gewährleistet, dass bei Stromausfall
neben der Nanofiltrationsanlage auch
beide Wassergewinnungsanlagen sowie das
Netzpumpwerk weiterbetrieben werden
können. Zum Zwecke der Druckwindkesselsteuerung
und der Betätigung der pneumatischen
Armaturen wurden zwei automatisch
arbeitende Kompressoren installiert.
Leitwarte im Wasserwerk Löhnen Bild 6
Bezüglich des Beginns der erforderlichen
Vollstromaufbereitung kann gegenwärtig
noch keine belastbare Aussage gemacht werden,
da das Vorrücken der Rheinwasserfront
zu den Wassergewinnungsanlagen nicht
sicher vorhergesagt werden kann. Um diese
Entwicklung jedoch genauer beobachten zu
können, wird voraussichtlich noch in 2010,
unter Beachtung der naturschutzrechtlichen
Auflagen, eine weitere Messstellengalerie
zwischen den vorhandenen Messstellen -
reihen und den Förderbrunnen eingerichtet.
Für die Umrüstung auf Vollstromaufbereitung
über die Nanofiltrationsanlage wird ein
Zeitraum von 6 Monaten benötigt.
Während des Teillastbetriebs lassen sich die
Betriebskosten gegenüber der Vollstromaufbereitung
über die NF-Anlage mit anschließender
Aufhärtung um mehr als 30 % reduzieren.
Die Herstellungskosten der Nanofiltrationsanlage
am Wasserwerk Löhnen lagen
bei 13,8 Mio. €. Kostenträger ist die RAG
über den Lippeverband als Verursacher der
Bergsenkungen.
Schlussbemerkung
Aufgrund der detailliert geplanten Vor -
gehensweise im Zusammenhang mit der
Inbetriebnahme der Nanofiltrationsanlage
wurden die Dinslakener Wasserkunden in
keiner Weise durch die Umstellung der
Wasserchemie beeinträchtigt. Die Inbetriebnahme
erfolgte ohne Aufsehen in der
Öffentlichkeit zu erregen.
KONTAKT
Aufbereitung
Dr. Thomas GÖTZ
Geschäftsführer Stadtwerke Dinslaken GmbH
und Wasserwerke Dinslaken GmbH
Dipl.-Ing. Michael HÖRSKEN
Prokurist und Hauptabteilungsleiter Technik
Stadtwerke Dinslaken GmbH
Gerhard-Malina-Straße 1 · 46537 Dinslaken
Tel.: 02064/605-0 · Fax: 02064/605129
www.stadtwerke-dinslaken.de
Monitor im Wasserwerk Löhnen Bild 7
Fotos: Stadtwerke Dinslaken
11–12/2010 www.wwt-online.de
33