IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/2000, Seite 32 ff.


SANITÄRTECHNIK


Systeme der Trinkwasserdesinfektion

Prof. Dr. Dieter Kreysig, Dipl.-Ing. Markus Kuhn, Dipl.-Kfm. Rolf Jacobs Teil 2

Je komplexer Gebäude in ihrer Größe, in ihren Aufgaben und Eigenschaften sind, desto komplexer und aufwendiger sind auch die vorhandenen Rohrinstallationen. Umso wichtiger ist die bei der Planung und Ausführung erforderliche Sorgfalt und die Einhaltung aller einschlägigen Richtlinien, Normen und Rechtsvorschriften. Besonders zu erwähnen sind die DVGW-Empfehlungen und die DIN-Normen.

Installationsvoraussetzungen und Objekteigenschaften

Zur Vermeidung von Infektionsrisiken durch gebäudeinterne Trinkwassersysteme sollten die folgenden Installations- und Planungsfehler unbedingt vermieden werden (siehe auch die Empfehlungen der DVGW-Arbeitsblätter W 551 und W 552):
- Kurzschlüsse zwischen Kalt- und Warmwasserleitungen z.B. durch defekte Rückflussverhinderer
- schlechte Durchströmung von Kesselanlagen (Schichtenbildung)
- mangelnde Dämmung von Warmwasserleitungen
- zu nahe an der Warmseite verlegte Kaltwasserleitungen mit zum Teil fehlenden Dämmungen
- nicht abgetrennte Totstrecken von ungenutzten Teilsträngen
- alte und schlecht gewartete Filter- und Wasserenthärtungsanlagen
- überdimensionierte Leitungen mit geringer Durchströmung
- schlecht arbeitende Zirkulationsanlagen mit abgeschalteten Pumpen oder Schiebern

Bei der Planung und Ausführung sanitärtechnischer Anlagen sind vor dem Hintergrund der Kontaminationsrisiken durch Mikroorganismen wie Legionellen die objektspezifischen Besonderheiten zu beachten. Diese sind im Wesentlichen in der Dimensionierung, der Leitungsführung sowie in der Betriebsweise zu sehen. Bei einer groben Strukturierung kann nach den folgenden Gebäudegruppen differenziert werden:

Hotels und Altenheime

Leitungssysteme werden vorwiegend als Steigeleitungen ausgeführt, die zimmer- bzw. etagenweise mehrere Zapfstellen versorgen. Diese Leitungen werden über Verteiler meist im Keller zu den einzelnen Etagen geführt und über eine Zirkulation zurückgeleitet.

Steigestrangzirkulation

Die Komplexität und Anzahl der Zimmer geht einher mit der Komplexität der Leitungsführung. Durch Umbau- und Modernisierungsmaßnahmen sind häufig nicht nachvollziehbare Leitungsstrecken vorhanden.

Altanlagen werden zur Gewährleistung des Verbrühungsschutzes im Warmwasserbereich mit Mischwasser von unter 45C gefahren. In einzelnen Zimmern kommt es aufgrund längerer Zeit der Nichtbelegung teils zu langen Standzeiten im Armaturenbereich. Da in Hotels und Altenheimen in den meisten Fällen von einer 24-stündigen Nutzungszeit ausgegangen werden muss, sind diskontinuierliche Desinfektionsverfahren, wie thermische und chemische Desinfektion aus Sicherheitsgründen nur schwer durchführbar.

Sport- und Freizeitstätten

Bei sanitärtechnischen Anlagen von Sport- und Freizeitstätten handelt es sich i. d. R. um überschaubare Einheiten mit entsprechend einfacher Leitungsführung. Zum Teil handelt es sich um Mischwasserzirkulationen, die mehrere Wasch- und Duschräume versorgen. Über Verteiler, die im Keller oder auf gleicher Ebene anzutreffen sind, werden die Leitungen in die Sanitärräume geführt und entweder vor diesen mit der Zirkulation oder an der letzten Entnahmestelle zusammengelegt. In der Regel werden Sportstätten in der Zeit von ca. 22.00 - 7.00 Uhr nicht genutzt.

Schwimmbadeinrichtungen

Schwimmbadeinrichtungen sind aus sanitär- und heizungstechnischer Sicht sehr aufwendige Einrichtungen mit teils verwirrenden Leitungsführungen. Aufgrund der zumeist hohen Gebäudetemperaturen und der häufig schlecht isolierten Kaltwasserleitungen kann es auch hier zu vermehrten Keimbildungen kommen. In derartigen Objekten ist zur Vermeidung von Infektionsrisiken demzufolge die Warm- und Kaltwasserseite zu betrachten.

Die warmwasserseitige Versorgung meist mehrerer Wasch- und Duschräume erfolgt über Mischwasserzirkulationen. In bestehenden Anlagen kann wegen des Verbrühungsschutzes der Benutzer von einer Mischwassertemperatur unterhalb von 45 C ausgegangen werden. Als Betriebszeit kann die Zeit von 8.00 - 20.00 Uhr angenommen werden.

Industriebetriebe

Kennzeichnend für sanitärtechnische Anlagen in Industriebetrieben sind Mischwasserzirkulationen (Ringsysteme), die mehrere Wasch- bzw. Duschräume versorgen, z.T. aber auch Stichleitungssysteme. Diese Leitungen werden über Verteiler meistens im Keller oder auf gleicher Ebene in die einzelnen Sanitärbereiche geführt und entweder vor diesen mit der Zirkulation oder an der letzten Abnahmestelle zusammengelegt. In diesen Objekten kann es durch die verschiedenen Heizungssysteme und zusätzliche Brauchwasserleitungen mitunter zu verwirrenden Leitungsführungen kommen.

Die Betriebsweisen sind stark von den Arbeitszeiten abhängig. Bei Schichtbetrieb kommt es zu einer starken periodischen Wasserabnahme mit einem hohen Gleichzeitigkeitsfaktor. Zwischen diesen Abnahmen stagniert das System weitestgehend.

Krankenhauseinrichtungen

Installationstechnisch sind Krankenhauseinrichtungen die komplexesten Einrichtungen des öffentlich-gewerblichen Bereichs. Technisch sind sie mit denen von Hoteleinrichtungen vergleichbar, bei denen ebenso eine Vielzahl von Zimmern mit Zapfstellen versorgt werden muss. Daneben bestehen hochsensible OP-Anlagen und Therapieeinrichtungen, in denen überall Wasser genutzt wird.

Die große Zahl von Wasserentnahmestellen und zusätzlichen Installationen in medizinischen Einrichtungen macht die Vielfältigkeit hygienischer Probleme im Zusammenhang mit Wasserversorgungssystemen verständlich. Da es sich, abgesehen vom Personal, bei den in einem Krankenhaus befindlichen Personen um eine Risikogruppe handelt, ist natürlich auch bezüglich der Trinkwasserhygiene eine besondere Sorgfaltspflicht geboten. Hierzu gehören auch routinemäßige Wasseruntersuchungen und entsprechende Protokolle. Sanitärtechnische Maßnahmen sind in der "Richtlinie für die Erkennung, Verhütung und Bekämpfung von Krankenhausinfektionen" in den Ziffern 4.4.6 und 6.7 detailliert geregelt. Da in Krankenhäusern von einer 24-stündigen Betriebszeit auszugehen ist, sind aus Gründen der Personensicherheit diskontinuierliche Desinfektionsverfahren, speziell chemische Grunddesinfektionen nur schwer durchführbar.

Verfahren der Trinkwasserdesinfektion

Um ein mikrobiell kontaminiertes Trinkwasserinstallationssystem zu reinigen oder es vor Wiederverkeimung zu schützen, bedarf es verfahrenstechnischer Maßnahmen mit dem Ziel der wirksamen Desinfektion des Gesamtsystems. Hierzu gehört das Wasser selbst und alle mit ihm kontaktierten Teile und Oberflächen.

Grundsätzlich unterscheiden lassen sich wiederkehrende Desinfektionsmaßnahmen oder Technologien für die permanente Desinfektion. In Abhängigkeit von der Objektart und zur Erhöhung der Sicherheit sind auch Kombinationsverfahren durchaus üblich. Beispiel hierfür ist die thermische Desinfektion in Kombination mit der permanent wirkenden UV-Technik. Ziel aller Desinfektionsverfahren ist letztlich die Reduzierung pathogener Keime um den Reduktionsfaktor 5, d.h. eine dauerhafte Inhibierung bzw. Abtötung der Mikroorganismen im Verhältnis 105 : 1.

Für Trinkwasser und Trinkwasserinstallationen muss ein Desinfektionsverfahren anwendungsgerecht Bakterien einschließlich Mykobakterien, Pilzen und pilzlichen Sporen sowie Viren mit der geforderten Effizienz (RF 5) dauerhaft inhibieren oder abtöten.

Ein ideales Desinfektionsverfahren bewirkt eine schnelle Inaktivierung/Abtötung pathogener Keime, ohne eine Gefährdung für den Menschen und seine Gesundheit darzustellen. Der Geruch oder der Geschmack des Wassers erfährt keinerlei Beeinträchtigung.

Bei chemischen Verfahren sind ein gefahrloses Handling gefragt sowie eine kontinuierliche Konzentrationsbestimmung durch sichere, schnelle und einfache Messinstrumente (Handphotometer/Stäbchentest) und eine zuverlässige und kontrollierte Dosierung des Desinfektionsmittels. Desinfektionsmittel sollen im zu desinfizierenden Wasser eine hohe Beständigkeit ohne eine Zersetzung haben, um die notwendigen Einwirkzeiten und -konzentrationen zu gewährleisten.

Die Grunddesinfektion gebäudeinterner Trinkwasser-Installationssysteme

Selbst unter normalen Betriebsbedingungen ist innerhalb von Trinkwasser-Installationssystemen mit Biofilmen unterschiedlicher Ausprägung zu rechnen. Der Biofilm besteht aus auf der wasserbenetzten Innenoberfläche des Installationssystems siedelnden Kolonien von verschiedenartigen Mikroorganismen, zusammengehalten und geschützt von einer schleimigen, sogenannten extrazellulären polymeren Substanz (EPS).

Solange ein Biofilm nur apathogene, d.h. nicht krankheitserregende Mikroorganismen beherbergt, geht von ihm keine Gesundheitsgefährdung aus. Ein hygienisches Problem entsteht, wenn auch pathogene Mikroorganismen den Biofilm besiedeln, deren an das Wasser abgegebene planktonische Lebensformen den Nutzer von sanitärtechnischen Einrichtungen gefährden.

Je nach Art der Mikroorganismen besteht eine Infektionsgefährdung durch die Inhalation von Aerosolen (z.B. Legionellen), bei Körper-, Haut- und Schleimhautkontakt (z.B. Pseudomonaden, atypische Mycobakterien und diverse Pilzformen) sowie bei der Aufnahme durch den Verdauungstrakt (z.B. Amöben). Um derartige Mikroorganismen festzustellen, sind mikrobiologische Routine-Untersuchungen für Trinkwasser nicht hinreichend, da diese lediglich Leitkeimuntersuchungen darstellen, die eine mögliche Verbindung von Trinkwasser und Abwasser feststellen. Bei jeglichem Verdacht auf Kontaminationen von Trinkwassersystemen sind spezielle Untersuchungen durch autorisierte mikrobiologische Laboratorien und Hygieneeinrichtungen erforderlich. Im Sinne des Haftungsausschlusses des Betreibers wird dieser immer mehr zu einer lückenlosen Nachweispflicht seines verantwortungsvollen Handelns gezwungen. Tritt eine Gesundheitsschädigung eines Nutzers durch Verkeimung des Systems auf, haftet ansonsten der Betreiber automatisch.

Bestätigt eine möglichst regelmäßig durchzuführende mikrobiologische Untersuchung den Verdacht einer pathogenen Kontamination, so sind sofortige Desinfektionsmaßnahmen einzuleiten. Als eine besonders effiziente Sofortmaßnahme hat sich die chemische Grunddesinfektion herausgestellt, bei der über einen relativ kurzen Zeitraum (diskontinuierlich) innerhalb des Leitungssystems bis zu den Entnahmestellen mindestens 10 mg/l freies Chlor wirksam wird. Diese hohen Desinfektionsmittelkonzentrationen werden erforderlich, um sämtliche Rohrinnenoberflächen mit Desinfizienzien zu beaufschlagen; letztlich mit dem Ziel der zuverlässigen Keimreduktion um den Faktor 105. Nach Beendigung einer derartigen Grunddesinfektion wird das gesamte System solange gespült, bis an den Entnahmestellen der nach Trinkwasserverordnung zulässige Grenzwert von 0,3 mg freiem Chlor/l unterschritten wird. Beim Einsatz von Chlordioxid als Desinfektionsmittel beträgt der Äquivalenz-Messwert "freies Chlor" als oberer Grenzwert 0,2 mg ClO2/l.

Bild 2: Schaltschema einer thermischen Desinfektion.

Das Desinfektionsmittel

Wegen seiner hervorragenden stofflichen Eigenschaften und unübertrefflichen mikrobiziden Wirkung gilt Chlordioxid, ClO2, als eine besonders geeignete Substanz für die Grunddesinfektion. Die herausragenden Eigenschaften von Chlordioxid sind:

- Wirksamkeit gegenüber praktisch allen wassergängigen Bakterien, Pilzen, Hefen, Viren und Protozoen

- Keine Resistenzerscheinungen von Mikroorganismen

- Hohe Materialverträglichkeit, daher keine materialbedingten Einsatzbeschränkungen

Als neutrale, nichtionische Verbindung mit hohem Radikalcharakter ist Chlordioxid chemisch relativ reaktionsträge gegenüber polaren Reaktionspartnern. Wegen seiner Radikaleigenschaften mit hohem Oxidationspotential zählt es zu den stärksten Desinfektionsmitteln. Als Oxidationsmittel stört es den Stoffwechsel von Mikroorganismen und bewirkt deren Inhibierung bzw. Abtötung. Wegen seines dipolaren Charakters ist es gegenüber ionischen Desinfizienzien, wie z.B. Hypochlorit wesentlich begünstigt, die vorwiegend negativ polarisierten Membranen von Mikroorganismen zu penetrieren und diese somit zum Absterben zu bringen.

Das Verfahren der Grunddesinfektion

Ein besonders effizientes und hochwirksames System der Grunddesinfektion für gebäudeinterne Trinkwasser-Installationssysteme ist ein von AQUA neu entwickeltes Verfahren, welches der Basishygienisierung dient und damit auch eine ideale Vorbereitung für permanent wirkende anlagentechnische Desinfektionssysteme darstellt.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für größere Anlagenkomplexe mit weit verzweigten Rohrleitungssystemen. Über objektspezifisch ermittelte Zwangs-Zirkulationspunkte werden sowohl warm- wie auch kaltwasserseitig innerhalb des Gesamt-Installationssystems Teilzirkulationen aufgebaut. In diese Teilzirkulationen erfolgt die Einbringung des Desinfektionsmittels Chlordioxid in einer Ausgangskonzentration von 20 mg/l Füllwasser. Bei Neuinstallationen beträgt die Einwirkzeit bei konstanter Konzentration in der Regel 1 - 6 Stunden. In Altinstallationen ist die Einwirkzeit abhängig vom Grad der Ausbildung des vorhandenen Biofilms und kann bis zu 12 Stunden betragen. Wegen der im Regelfall zu beobachtenden Zehrung von Desinfizienz im Laufe der Einwirkzeit ist es unumgänglich, durch Nachdosierung von Chlordioxid die Wirkkonzentration auf einem festgelegten Niveau zu halten. Die zu dem AQUADES-Verfahren speziell entwickelte Chlordioxid-Dosiereinrichtung sowie die genau festgelegte Prüfsystematik berücksichtigt diese Gegebenheiten.

Nach der Durchführung der Grunddesinfektion erfolgt eine gründliche Spülung des Leitungssystems mit Frischwasser, bis die Konzentration an Chlordioxid unterhalb des Äquivalenz-Messwertes von 0,3 mg freiem Chlor/l liegt.

Um das System nicht erneut mit Krankheitserregern zu infizieren, wird das Füllwasser mit UV-Technik zuverlässig desinfiziert. Zur Bestätigung der erfolgreichen Durchführung der Grunddesinfektion werden mikrobiologische Beprobungen vorgenommen und von einem unabhängigen Prüfinstitut analysiert.

Alle durchgeführten Maßnahmen werden detailliert dokumentiert und dem Betreiber der sanitären Einrichtung zum späteren Nachweis verantwortungsvoll durchgeführter Maßnahmen übergeben.

Sicherheitshinweise zur Grunddesinfektion

Eine kontinuierliche Zugabe von in der Trinkwasserverordnung aufgeführten Desinfektionsmitteln mit niedrigen Konzentrationen ist zur schnellen Dekontamination von Trinkwasserinstallationssystemen nicht ausreichend. Daher ist eine diskontinuierliche Zugabe von Chemikalien in hoher Konzentration erforderlich. Beim Umgang mit diesen Desinfektionsmitteln sind die Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossenschaften und die Gefahrenhinweise der Sicherheitsdatenblätter zu beachten.

Während der Grunddesinfektion muss das Eindringen von Desinfizienzien in nicht zu desinfizierende Abschnitte durch Schließen von Absperrarmaturen bzw. Trennen von Leitungsabschnitten vermieden werden. Innerhalb der eigentlichen Einwirkzeit sollten in dem behandelten Leitungsabschnitt vorhandene Entnahmearmaturen betätigt werden, um diese zu desinfizieren. Während der Grunddesinfektion ist unbedingt sicherzustellen, dass aus den behandelten Leitungsabschnitten kein Wasser als Trinkwasser entnommen wird.

Thermische Desinfektion

Die optimalen Vermehrungsbedingungen finden Legionellen in Temperaturbereichen von 30C bis 45C. Während bei diesen Temperaturen die Verdoppelungszeiten bis auf wenige Stunden herabgesetzt sind, führen höhere Temperaturen zu verminderter Vermehrung bzw. sogar zur Abtötung der schädlichen Krankheitserreger.

Über Abtötungstemperaturen existieren zahlreiche Untersuchungen, deren Ergebnisse sich im Wesentlichen decken.

Die niedrigste Abtötungstemperatur liegt bei 50C - die Reduktionszeit beträgt dabei jedoch viele Stunden. In einem Temperaturbereich von 60C bis 70C reduziert sich die Abtötungszeit von ca. 2 Stunden bis auf wenige Minuten. Über 70C sind für Legionellen absolut tödlich, selbst wenn sie in hohen Konzentrationen vorhanden sind. Genau auf dieser Erkenntnis basieren Verfahren zur thermischen Desinfektion.

Es gilt jedoch zu beachten, dass die Aussagen zur Thermostabilität von Legionellen im Wesentlichen an planktonischen Spezies bzw. Platten- o.ä. Kulturen gewonnen wurden. In Biofilmen vegetierende Kolonien oder in Amöben inkorporierte Spezies können ein von diesen Ergebnissen erheblich abweichendes Thermoverhalten zeigen.

Wird im Trinkwassererwärmer zwar eine Temperatur von 70C erzeugt, aber während der Durchführung der thermischen Desinfektion die geforderten 70C nicht an jeder Stelle im System bzw. an der Entnahmestelle erreicht, muss ein anderes Verfahren gewählt werden, denn eine thermische Desinfektion mit geringeren Temperaturen durchzuführen, ist nahezu aussichtslos, weil die einzuhaltende Zeitdauer bis zur Legionellenabtötung viel zu lang ist.

Empfehlungen des DVGW gemäß Arbeitsblatt 552

"Die thermische Desinfektion soll das gesamte System einschließlich aller Entnahmearmaturen erfassen. Trinkwassererwärmer sind auf eine Temperatur von > 70 C aufzuheizen. Jede Entnahmestelle ist bei geöffnetem Auslaß für mindestens 3 Minuten mit mindestens 70 C zu beaufschlagen. Temperatur und Zeitdauer sind unbedingt einzuhalten. Die Auslauftemperatur ist an jeder Entnahmestelle zu überprüfen.

Damit bei Zirkulationssystemen das gesamte System (Warmwasser- und Zirkulationsleitung) von dieser Maßnahme erfasst wird, müssen während der Aufheizphase des Trinkwassererwärmers alle Entnahmestellen geschlossen sein; die Zirkulationspumpe muss im Dauerlauf betrieben werden. Dieser Betriebszustand wird solange aufrechterhalten, bis eine Temperatur von 70 C in der Zirkulation vor Eintritt des Wassers in den Trinkwassererwärmer erreicht wird. Erst danach werden die Entnahmestellen nacheinander bei geöffnetem Auslauf thermisch desinfiziert.

Soweit möglich, sollten durch schnell reagierende Anlegefühler die Temperaturen an der Rohroberfläche kontrolliert werden. An den Rohroberflächen und an jeder Entnahmestelle muss eine Temperatur von 70 C erreicht werden, damit die thermische Desinfektion erfolgreich ist.

Für einen entsprechenden Verbrühungsschutz während der thermischen Desinfektion ist zu sorgen.

Nach Abschluss der thermischen Desinfektion ist die Anlage in den bestimmungsgemäßen Betrieb zurückzuführen."

Bild 3: Das Spektrum des Lichts.

Automatisches Steuerungskonzept

Die Häufigkeit durchzuführender thermischer Desinfektionen innerhalb eines Leitungssystems ist auch aus Sicherheitsgründen empirisch zu ermitteln. Hier gilt es, ein Optimum an Hygiene zu erlangen und gleichzeitig den Verbrauch an Wasser bzw. Energie so gut wie möglich zu beschränken. Weiterhin werden durch die hohen Temperaturen bei thermischen Desinfektionen die Systeme nicht unwesentlich z.B. durch Kalkablagerungen belastet.

Um periodisch zu wiederholende thermische Desinfektionen so effizient wie möglich durchführen zu können, sind automatische Steuerungskonzepte besonders geeignet. Eine optimale Voraussetzung hierfür bieten elektronische Mischwasserstationen in Verbindung mit elektronisch, z.B. durch Zeitsteuerung, geregelten Sanitärarmaturen. Über eine vorhandene Schnittstelle an der Mischwassereinheit kann sogar die Aufschaltung auf Systeme der Gebäudeleittechnik erfolgen. Über die Einbindung der Armaturen in die Gesamtsteuerung entfallen Personalaufwendungen, die bei manuellem einzelnen Öffnen der Armaturen sonst notwendig wären.

Diagramm 1: Absterbeverhalten von Legionellen in Abhängigkeit von der Temperatur.

Das Verfahren

Der Warmwasserspeicher wird auf ein Temperaturniveau von > 70C gefahren. Wegen eventueller Temperaturverluste in den Rohrleitungssystemen empfiehlt sich eine Speichertemperatur von 80 C. Das den Speicher verlassende Warmwasser wird mittels eines Temperaturfühlers überprüft. Sobald 70 C überschritten sind, wird über eine angeschlossene Automationsstation der Prozess der thermischen Desinfektion ausgelöst. Hierzu wird zunächst die Mischeinheit des elektronisch geregelten Thermostaten in ihre Endposition gefahren, um im Zirkulationssystem Wasser mit über 70C zur Verfügung zu stellen. Diese Temperatur wird abgangsseitig des Mischers sowie im Zirkulationsrücklauf kontrolliert und der Steuereinheit gemeldet.

Ist das Gesamtsystem ausreichend erwärmt, erfolgt gruppenweise automatisch das Öffnen der Armaturen über einen Zeitraum von mindestens 3 Minuten. An der am thermisch und strömungstechnisch ungünstigst gelegenen Entnahmestelle wird zu Kontrollzwecken die Austrittstemperatur gemessen. Diese muss zur erfolgreichen Durchführung der Desinfektion ebenfalls 3 Minuten anliegen und mindestens 70 C betragen.

Nach Beendigung der thermischen Desinfektion wird die Anlage wieder in den Normalbetrieb umgeschaltet. Die Armaturen bleiben geöffnet und dem System wird solange Kaltwasser zugeführt, bis die Mischwasserseite sich wieder auf die gewünschte Solltemperatur von z.B. 42C eingespielt hat.

Um ein Verbrühungsrisiko von Nutzern auszuschließen, sind unbedingt folgende Sicherheitsmaßnahmen zu treffen:

- Thermische Desinfektionen sollten außerhalb der Nutzungszeiten z.B. nachts oder während der Ferien erfolgen.

- Alle räumlichen Zugänge zu den Sanitäranlagen sollten versperrt sein.

- Zusätzliche Warnleuchten und z.B. Bewegungsmelder zur Raumüberwachung sind, soweit erforderlich, in das System mit einzubinden.

Bild 4: Sensortechnologie gewährleistet Systemsicherheit.

UV-Desinfektion

Das Wirkprinzip

Ultraviolettes Licht der Wellenlänge = 254 nm (Hauptbande der Emission von Quecksilber-Niederdruck-Strahlern) bewirkt nach Absorption durch die "Erbsubstanz" der Mikroorganismen, die DNS, photochemische Reaktionen, die zu einer momentanen Unterbrechung der Vermehrungsfähigkeit von betroffenen Mikroorganismen und zur Störung in der Steuerung der lebensnotwendigen Stoffwechselprozesse führen. Unter der Einwirkung einer entsprechenden UV-Dosis sterben die Mikroorganismen ab.

Frei im Wasser schwimmende (planktonische) Mikroorganismen und Dauerformen besitzen artspezifisch unterschiedliche Empfindlichkeiten für die 254 nm-UV-Strahlung. Das heißt: Es ist der Eintrag einer jeweiligen Mindestdosis der UV-Strahlung in das Wasser erforderlich, um für die Keimminderung mit einem entsprechenden Reduktionsfaktor die erforderliche Wirkung zu erzielen. Die Bestrahlung wird in J/m2 bzw. Ws/m2 gemessen und angegeben.

Mikroorganismen verfügen über Reparaturmechanismen, mit denen sie durch Strahlung verursachte Schäden reparieren und dadurch die Strahlung überleben können. Das bedeutet, dass durch die strahlungsbedingten Schäden zunächst die Vermehrungsfähigkeit abrupt unterbrochen wird, während der Mikroorganismus noch weiterlebt und eine Reparaturchance hat. Nur wenn die UV-Schädigung ausreichend intensiv ist, sodass der Mikroorganismus die überlebensnotwendigen Reparaturen nicht durchführen kann, führt dessen vorangegangene Photoschädigung zu seinem Absterben. Damit ist auch die Gefahr des Wiederaufkeimens minimiert und die Notwendigkeit der Ergänzung durch eine zusätzliche Desinfektionsmaßnahme entfällt. Praktisch bedeutet dies, eine angemessene Überdosis UV-Strahlung in jedes Volumenteil des zu behandelnden Wassers einzutragen, um die Desinfektion mit der notwendigen Sicherheit zu erzielen.

Mit einer eingetragenen Bestrahlung von 400 J/m2 gilt die Desinfektionsleistung als erfüllt.

Mittels einer hierfür von AQUA entwickelten wellenlängenselektiven Sensorik wird der Mindest-Dosis-Eintrag an UV-Strahlung kontrolliert. Eine spezielle Steuerung gewährleistet, dass bei Anliegen des entsprechenden Bestrahlungsfeldes hygienisch sicher desinfiziertes Wasser mit der entsprechenden mikrobiologischen Qualität verfügbar ist. Der besondere Vorzug dieser Desinfektionsmethode besteht darin, dass bei Einhaltung der oben genannten Bestrahlungsdosis trüb- und schwebstofffreies Wasser ohne jeglichen Stoff- oder Chemikalienzusatz augenblicklich in die geforderte hygienische Qualität überführt werden kann. Zu beachten ist die möglichst nahe Heranführung der UV-Desinfektionseinrichtung an die Entnahmestellen. Dies ist sowohl für den Installationsort in einem System (z.B. in "user point"-Nähe) als auch die Art des Weitertransportes bzw. der Deponierung des UV-desinfizierten Wassers und dessen Verwendung von Bedeutung.

Tabelle 4: Erforderliche UV-Strahlungsdosis zur Desinfektion von Wasser

Mikroorganismus

verursachte Erkrankung

J/m2 bzw. Ws/m2

Legionella pneumophila

Legionellose, Pontiac-Fieber

160

Pseudomonas aeruginosa

Wundinfektionen, Entzündungen

105

Escherichia coli

Darmerkrankungen, Wundinfektionen

66

Clostridium tetani

Tetanus

220

Dysentery facili

Darmerkrankung, Durchfall

42

Salmonella

Vergiftung (Lebensmittel-)

100

Mycobacterium tubercul.

Tuberkulose

100

Influenca

Influenza, "Grippe"

66

Planungshinweise

Der optimale Einsatz der UV-Desinfektion ist stark abhängig von Art und Aufbau des jeweiligen Gebäudes. Die Vermehrung der Mikroorganismen im System auf den besiedelten Oberflächen lässt sich durch die UV-Bestrahlung nicht beseitigen, wohl aber in einem gründlich desinfizierten Installationssystem auf längere Sicht vermeiden. Sollten mikrobiologische Untersuchungsbefunde in einem solchen mit UV-Desinfektionsanlage ausgestatteten Installationssystem auf eine mikrobielle Kontamination hinweisen, muss das System in Abhängigkeit von der Kontamination zusätzlich intermittierend gereinigt, gespült, thermisch oder chemisch desinfiziert werden.

Um unter Praxisbedingungen eine zuverlässige und wirkungsvolle Arbeitsweise von UV-Desinfektionsanlagen zu gewährleisten, empfiehlt es sich, möglichst zertifizierte Geräte einzusetzen, die z.B. auf der Grundlage des DVGW-Arbeitsblattes W 294 geprüft wurden.

Tabelle 5: Die Vorteile der UV-Desinfektion

Die Vorteile der UV-Desinfektion

- Die UV-Desinfektion nutzt das von speziellen Lichtquellen in lichtdichten Reaktorbehältern erzeugte ultraviolette Licht (UV) der Wellenlänge = 254 nm für die sichere und kontrollierbare Abtötung wassergängiger Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Viren.

- Die Keimtötung im Wasser erfolgt während des Strömens durch den Reaktorbehälter ohne jeglichen Chemikalienzusatz und beeinflusst die Qualität des behandelten Wassers (Geruch, Geschmack, Farbe usw.) nicht.

- Die desinfizierende Wirkung des UV-Lichtes tritt bei der Bestrahlung des Wassers augenblicklich und mit hoher Effizienz ein.

- Die Auslegung von UV-Anlagen nach den bestehenden strengen Prüf- und Zertifizierungsvorschriften gewährleistet die erforderliche hygienische Sicherheit im praktischen Betrieb (DVGW W 293/294).

- Die unter Aufwendung von 1 Kilowattstunde Elektroenergie erzeugbare UV-Strahlung reicht aus, um 20 und mehr Kubikmeter Trinkwasser in Abhängigkeit von der Transmission zuverlässig zu desinfizieren.

Die UV-Entkeimung desinfiziert bei entsprechender Auslegung das gesamte durchfließende Wasser, verleiht dem Wasser jedoch keinen Schutz vor Rekontamination. Daher ist der Einbauort besonders wichtig.

Auch der Gebäudetyp ist von wesentlicher Bedeutung bei der Planung des Einsatzes von UV-Desinfektionstechnik. Besonders geeignet ist die UV-Technik für Gebäude mit zentral angeordneten Sanitärräumen, bei denen die Desinfektoren direkt im Eingangsbereich angeordnet werden können. Bei Gebäuden mit dezentralen Sanitäranlagen sind die Trinkwasserinstallationen zum Teil derart komplex, dass eine user-point-nahe Installation von UV-Bestrahlungskammern nicht möglich ist. In diesen Fällen sind unbedingt regelmäßige Wasseruntersuchungen vorzunehmen und gegebenenfalls periodisch zu wiederholende Verfahren wie thermische Desinfektion oder aber eine chemische Grunddesinfektion durchzuführen.

Zu den öffentlichen und gewerblichen Gebäuden mit zentral angeordneten Sanitärräumen zählen Gemeinschaftsunterkünfte, Handels- und Gewerbebetriebe, lebensmittelverarbeitende Betriebe, Schwimmbäder, Hallenbäder, Turnhallen, Campingplätze u.a.

Zu den Objekten mit dezentralen Sanitäranlagen zählen Behinderten-, Alten- und Pflegeeinrichtungen, Hotels, Krankenhäuser, medizinische Einrichtungen und Kurbetriebe.

Bei der Erzeugung von UV-Strahlen erfolgt technologisch bedingt eine Erwärmung der Strahler, die bei Stagnation des zu behandelnden Wassers in der Bestrahlungskammer zu Gerätedefekten führen kann. In Zeiten der Nichtbenutzung sollte daher die Desinfektionsanlage über eine Zeitsteuerung abgeschaltet werden. Um den Eintritt von nicht desinfizierten Wassers in das System zu verhindern, sollte zusätzlich ein Magnetventil im Hauptstrang geschaltet werden, welches im stromlosen Zustand idealerweise geschlossen ist.

Einbindungsbeispiel einer AQUADES UV-Anlage, Typ UV 4
Bild 5: Installationsschema einer UV-Desinfektionsanlage.

Elektrolytische Desinfektion

Das Funktionsprinzip

Die elektrolytische Desinfektion beruht auf der Erzeugung von desinfizierend wirkenden Stoffen aus dem Wasser selbst und seinen natürlichen Inhaltsstoffen. Hauptwirkstoffe sind dabei unterchlorige Säure, Sauerstoff sowie in Mindermengen Wasserstoffperoxid. Die Effizienz der elektrolytischen Desinfektion beruht nicht nur auf der ausschließlichen Wirkung der einzelnen Desinfizienzien, sondern auch auf deren Kombinationen und den sich daraus ergebenden Wechselwirkungen und Wirkergänzungen. So ist es zu erklären, dass selbst bei Unterschreitung, z.B. der elektrolytisch erzeugten Konzentration an unterchloriger Säure unter den minimalen Grenzwert der Trinkwasserverordnung von 0,1 mg/l, ein sicheres Absterben von schädlichen Mikroorganismen nachzuweisen ist.

Bild 6: Einbindungsschema für AQUADES UV-Anlagen bei einem zentral angeordneten Sanitärraum.

Mit Hilfe der elektrolytischen Desinfektion lassen sich nicht nur zuverlässig die Keimzahlen planktonischer pathogener Mikroorganismen (wie Legionellen, Pseudomonaden, atypische Mykobakterien usw.) um den für eine Desinfektion erforderlichen Reduktionsfaktor 5 (RF 5 = die Reduzierung der Keimzahl um 5 Zehnerpotenzen) reduzieren, sondern auch Biofilme zumindest mittelfristig abbauen. Während in neuen Installationssystemen die Entwicklung von Biofilmen praktisch unterbunden wird, inhibieren in älteren und bereits kontaminierten Systemen die elektrolytisch erzeugten Desinfizienzien permanent die aus dem Biofilm emittierten fluiden Mikroorganismen und bewirken infolge permanenter Einwirkung letztlich auch die totale Inhibierung des Biofilms selbst.

Eine hervorzuhebende Besonderheit der elektrochemischen Desinfektion ist die Funktionsweise ohne Stoff- und Chemikalieneintrag und ohne die Stoffbilanz des Trinkwassers sowie dessen sensorische Eigenschaften dauernd zu verändern. Es treten weder Farb-, noch Geschmacks- und Geruchsveränderungen auf. Auf der energetischen Seite sind Elektrolyseanlagen besonders kostengünstig zu betreiben. Eine Anlage für die elektrolytische Desinfektion mit einer Leistungsaufnahme von 150 Watt kann in einem Installationssystem mit bis zu 25 m3/h zirkulierendem Wasser und einem Wasseraustrag von bis zu 40 m3/d eine normgerechte Sanierung bewirken bzw. einen zuverlässigen Kontaminationsschutz gewährleisten.

Um einen sicheren Betrieb einer Elektrolyseanlage gewährleisten zu können, ist unbedingt ein steuer- und regelbarer Betrieb erforderlich, bei dem die Betriebszustände und die Betriebsweise den jeweiligen gebäudespezifischen Kenngrößen angepasst werden können. Schließlich geht es um die Gewährleistung der Funktionsweise und nicht zuletzt um die Einhaltung der durch die Trinkwasserverordnung vorgegebenen Grenzwerte z. B. des freien Chlors in dem Bereich von 0,1 ... 0,3 mg/l.

Bild 7: Aufbau einer AQUADES-Elektrolysezelle.

 

Die Elektrolyseanlage

Im Mittelpunkt aller desinfizierend wirkender Stoffe steht das anodisch erzeugte Chlor, vorwiegend in der Form unterchloriger Säure. Die Konzentration von Chlor / unterchloriger Säure korreliert mit der Desinfektionswirkung und muss daher ständig überwacht werden.

Die wichtigsten Einflussparameter auf das Gesamtsystem sind:
- die Spannung (U) bzw. Stromstärke (I) an den Spezialelektroden der Elektrolysezelle
- der Chloridgehalt des zu behandelnden Wassers
- die im System herrschende Warmwassertemperatur
- die Verweildauer des Wassers in dem Elektrodenraum, d.h. der Durchfluss durch das System

Mittels geeigneter Sensoren sowie einer Messwerterfassung und -verarbeitung ist es möglich, die Anlage in ihrem Betrieb so zu steuern, dass sie unter allen relevanten Betriebszuständen eine optimale Desinfektionsleistung erbringt. Ein derartiges System benötigt moderne Mess- und Regeltechnik, die Daten ermittelt, auswertet, entsprechende Prozesse einleitet und z.B. zur Protokollierung und Überwachung über Modemfunktionen mit der Gebäudeleittechnik verbunden ist.

Bild 8: Funktionsschema einer AQUADES-Elektrolyseanlage.

Die von AQUA entwickelte AQUADES-Elektrolyseanlage wird installationsseitig generell im Bypass betrieben (s. hierzu das Funktionsschema). Aus der Zirkulationsleitung wird ein Teil des zu desinfizierenden Wassers über eine Zirkulationspumpe (11) entnommen. Während des Arbeitens der Elektrolysezelle (2) wird ständig die Temperatur (8), die Durchflussmenge (6) und die Leitfähigkeit des Wassers (7) gemessen. Die in der Elektrolysezelle im Bypassstrom erzeugten Wirkstoffe werden in den Hauptstrom eingemischt.

Über eine Chlormesstechnik wird die Konzentration an freiem Chlor an zwei Messpunkten erfasst - nach dem Einmischen in den Hauptstrom und am Ende der Zirkulationsleitung. Hierzu wird das jeweilige Messwasser über Magnetventile gesteuert an die Chlormesszelle (3) geführt. Alle Messwerte werden in der Steuereinheit registriert, über die integrierte intelligente Software ausgewertet und für die Steuerung der Anlage genutzt.

Bild 9: AQUADES-Elektrolyseanlage als vorgefertigte Montageeinheit in einem Wandschrank aus Edelstahl.

Der im Hauptstrom anliegende Wert für die Konzentration an "freiem Chlor" ist die wichtigste Kenngröße für die Steuerung der Elektrolysezelle. Durch Veränderung der Stromstärke bzw. über An- und Abschaltung wird freies Chlor im Grenzwertbereich (0,1 - 0,3) mg/l produziert. Soweit objektspezifisch besondere Anforderungen bestehen, lässt sich dieses Bereichsintervall beliebig variieren.

Die für die elektrolytische Desinfektion notwendige Erzeugung von unterchloriger Säure ist abhängig von der Chloridionen-Konzentration des Wassers. Eine effiziente Betriebsweise erfordert Chloridkonzentrationen von > 20 mg/l. Enthält das zu desinfizierende Wasser diesen Mindestgehalt an Chloridionen nicht, ist eine zusätzliche Zufuhr von Natriumchlorid (Kochsalz) in das der Elektrolyse zu unterziehende Bypass-Wasser erforderlich. Optional lässt sich für eine derartige Zudosierung die Elektrolyseanlage mit einer Kochsalzsole-Dosiereinheit ausstatten. Zur Bestimmung der Chloridionen-Konzentration wird die Leitfähigkeit des Wassers im Bypass über einen Sensor (7) ständig überwacht. Bei Unterschreitung eines die Chloridionen-Konzentration repräsentierenden Wertes der elektrischen Leitfähigkeit wird über die Steuereinheit eine Dosierpumpe (12) zugeschaltet, die aus einem Vorlagebehälter Kochsalzsole bis zum stabilen Einstellen der vorgewählten Chloridionen-Konzentration in das Bypass-Wasser injiziert.

Bild 10: Strangschema mit Einbindung einer AQUADES-Elektrolyseanlage in das Zirkulationssystem.

Mit Hilfe der Elektrolysetechnik sind auch periodische zusätzliche Hochchlorungen möglich, wie sie z.B. nach Ferienzeiten in Schuleinrichtungen vorgesehen werden sollten.

Sämtliche Betriebszustände und Anlagenfunktionen der Elektrolyseeinheit werden überwacht und protokolliert. Alle Messwerte, Steuersignale und Regelvorgänge werden in der Automationsstation hinterlegt und können regelmäßig für Auswertungen und Protokollzwecke abgerufen werden. So sind z.B. Abfragen per Modem oder Aufschaltungen auf Systeme der Gebäudeautomation möglich. Mit Hilfe dieser Technologie werden eventuell erforderliche Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten schnell erkannt und können besonders effizient durchgeführt werden.


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