Desinfektion von Reinstwasser

Andreas Hänggi, Thomas Frank

Mit modernen Wasseraufbereitungsverfahren wie ein- und mehrstufige Gegenosmose, elektrisch regeneriertes Mischbett und lonenaustausch können die chemisch-physikalischen Qualitätsanforderungen an Reinstwasser in der Regel problemlos erreicht werden. Bei der Verteilung des Reinstwassers muss jedoch ebenfalls ein Keimwachstum wirksam verhindert werden. In der Tabelle sind unterschiedliche Sterilisations- und Desinfektionsmethoden und die entsprechende Problematik für die Aufbereitung von Reinstwasser dargestellt. Ozon besitzt im Vergleich zu anderen Desinfektionsmitteln den großen Vorteil, dass es zusätzlich zur Eliminierung der Mikroorganismen auch einen sicheren und kontinuierlichen Netzschutz für Lagertanks und Verteilsysteme bietet.

Als Standardverfahren zur Erzeugung von Ozon wird meist die Methode der stillen elektrischen Entladung verwendet. Sauerstoffhaltiges Betriebsgas wird zwischen Elektrodenpaar und Dielektrikum unter Einfluss eines angelegten Hochspannungsfelds in Ozongas umgesetzt. Für den Einsatz im Bereich der Reinstwasserdesinfektion hat sich dieses Verfahren aufgrund des hohen Verbrauchs an Sauerstoff, der Kontamination des Ozongases durch Feuchte, der pH-Absenkung des Reinstwassers durch salpetrige Säure als Folge des Reststickstoffs im Betriebsgas und der aufwändigen Technologie zur Einleitung von Ozon ins Wasser und Entfernung der überschüssigen Gase nicht durchsetzen können.

Besonders geeignet für die Reinstwasserdesinfektion ist das Verfahren der elektrolytischen Spaltung von Wasser. In einer Durchfluss-Elektrolysezelle wird als Elektrolyt eine polymere Kationenaustauschmembran verwendet. Dieser Feststoffelektrolyt ist zwischen der Anode und der Kathode kompaktiert, sodass beide Halbzellen elektrochemisch und gastechnisch voneinander getrennt sind. Der an die Zelle angelegte Gleichstrom bewirkt anodenseitig die Aufspaltung des durchfließenden Reinstwassers in Ozon, Sauerstoff und Protonen und kathodenseitig die Reduktion zu Wasserstoffgas. Die Ozonerzeugung findet in einem Bypass zur Wasser-Ringleitung statt. Das sich im durchfließenden Wasser lösende Ozon wird aus der Bypass-Leitung in die Ringleitung einschließlich der Lagertanks verteilt. So entsteht ein zuverlässiger und keimverhindernder Netzschutz der Anlage.

Beim Einsatz des von Christ entwickelten elektrolytischen Ozongenerators Steritron (Abb. 1) wird eine Kontamination durch Ionen verhindert, da Ozon direkt aus Reinstwasser erzeugt und darin gelöst wird. Des Weiteren wird die Keimbildung wirksam reduziert, und es kommt zu einem Abbau von TOC und Endotoxinen bei gleichzeitig niedrigen Ozonkonzentrationen im Reinstwasser. Der Dauerbetrieb der Anlage ist ohne zusätzliche periodische Desinfektion mit Chemikalien oder Dampf möglich. Installation und Inbetriebnahme sind einfach, der Wartungsaufwand gering und die Betriebskosten niedrig. Das Verfahren ermöglicht eine Erzeugung von Ozon in höchsten Konzentrationen (bis 18 Gew.% Ozon in Sauerstoff) aus entsalztem Wasser. Die Vorteile der Steritron-Anlage sind die lange Lebensdauer der Zelle durch verbesserte Oberflächenbeschichtung der Anode, eine optimierte Anoden-Kathoden-Membran-Anordnung, die niedrige Zellspannungen garantiert, ein inerter und korrosionsbeständiger PVDF-Zellkörper sowie die einfache Bauweise, die den raschen Membranwechsel ohne Spezialwerkzeuge ermöglicht. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und das CE-Zeichen weisen nach, dass die Geräte den EG-Richtlinien entsprechen und Fremdgeräte nicht beeinflussen. Die Online-Ozonmessung macht eine externe Steuerung möglich. Außerdem verfügt die Anlage über eine umfangreiche Störmelde- und Anzeigevorrichtung für die Überwachung der Betriebszustände und Anschlussmöglichkeiten über Sterilverbindungen (Tri-Clamp, BBS). Die Anlage ist in Leistungsklassen für 1, 3, 6 und 9 g/h Ozon erhältlich.

Bei der Herstellung von Reinstwasser für pharmazeutische Anwendungen in einer doppelstufigen Gegenosmose dient ein Reinstwassertank zur Abdeckung der erforderlichen Spitzenbezugsmenge (Abb. 2). Um diesen Tank und das Verteilsystem keimfrei zu halten, wird im Ringleitungsrücklauf elektrolytisch erzeugtes Ozon zudosiert. Das ozonhaltige Wasser gelangt in den Lagertank und sorgt für eine aktive Entkeimung des entsalzten Wassers. Bedingt durch die niedrige Konzentration – in der Regel 0,02 bis 0,05 mg/l – und einer dynamischen Fahrweise bleibt der Ozongehalt im Reinstwasser stabil. Das aufbereitete Wasser zirkuliert zu den Verbrauchern, und ein Teilstrom fließt zurück in den Lagertank. Somit wird ebenfalls das Verteilsystem entkeimt.

Bei Anwendungen, bei denen Ozon die Verbraucher stört, wird mit einer speziellen UV-Anlage das Ozon unter die Nachweisgrenze von 0,005 mg/l abgebaut. Im vorliegenden Einsatzfall wird die UV-Einheit während Nicht-Betriebszeiten ausgeschaltet, so dass ozonhaltiges Wasser das Verteilsystem entkeimt. Während der Betriebszeiten wird die UV-Anlage automatisch eingeschaltet und Ozon abgebaut. Die UV-Anlagen Lumostil bauen mit einer Wellenlänge von 254 nm Ozon mit hoher Geschwindigkeit innerhalb von Sekundenbruchteilen ab. Die Reinstwassererzeugung ist seit mehreren Jahren in Betrieb, und neben der Entkeimung mit elektrolytisch erzeugtem Ozon waren keine zusätzlichen Maßnahmen wie chemische Desinfektion oder Sterilisation mit Dampf erforderlich. Die Betriebs- und Wartungskosten für die Entkeimung mit Steritron sind äußerst gering. Der Wartungsaufwand beschränkt sich auf periodische Kontrollen und einen Membranwechsel alle drei bis fünf Jahre. Der Restozongehalt im Wasser wird mit kalibrierbaren, elektrochemischen Sensorsystemen online bis in den Bereich von 0,005 mg/l bestimmt.

Diese Messgeräte können ebenfalls zur Regelung und Steuerung der Steritron-Anlage eingesetzt werden.

E cav 218

Ozon ist als dreiatomige Modifikation des Sauerstoffs nach Fluor das stärkste technisch einsetzbare Oxidations- und Desinfektionsmittel. Das Gas besitzt ein Oxidationspotenzial von 2,07 eV und ist bis zu 20-mal wirksamer als Chlor. Seit beinahe 100 Jahren wird es erfolgreich zur Aufbereitung von Trink- und Brauchwasser eingesetzt. Ozon ist ein umweltfreundliches Medium, das am Ort des Verbrauchs in den benötigten Mengen produziert werden kann. Im Vergleich zu anderen Oxidations- und Desinfektionsmitteln bilden sich durch den Einsatz von Ozon keine unerwünschten und toxischen Nebenprodukte. Vor allem bei Aufbereitung und Entkeimung von Wasser für pharmazeutische Zwecke darf durch Ozon keine chemische oder physikalische Veränderung des Wassers ausgelöst werden.

Die Wirkung von Ozon beruht auf dem starken Oxidationsvermögen gegenüber chemischen Wasserinhaltsstoffen und Mikroorganismen. Die Einwirkungszeit zur Eliminierung von Mikroorganismen ist abhängig von der Art der Keime und der Ozonkonzentration. Ozon greift direkt die Oberfläche der Mikroorganismen an und zerstört Zellwand und -membran. Die Zellen platzen unter Einfluss der Ozonbehandlung und verlieren ihr Cytoplasma. So können sich diese Zellen nicht reaktivieren. Bei der Entkeimung von entsalztem Reinstwasser wird erfahrungsgemäß eine geringe Ozonkonzentration von unter 0,1 mg/I benötigt. Ozon ist metastabil und besitzt unter Reinstwasserverhältnissen eine Halbwertszeit von rund 20 min.